通过高温同步糖化与共发酵工艺，对耐热且能利用木糖的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）进行适应性进化，以用于生产木质纤维素乙醇

《Bioresource Technology》：Adaptive evolution of thermotolerant xylose-utilizing Saccharomyces cerevisiae for lignocellulosic ethanol production via high-temperature simultaneous saccharification and co-fermentation

EPS介导的电子转移效率受偏置电压调控机制研究。通过多尺度表征发现，施加0.4V偏置电压使EPS中β-转角蛋白占比显著提升21.4%，同时增强含醌类物质和吲哚化合物的含量，使介导电子传递能力提高24.6%。

　　

刘洪洲|顾思杰|唐晓雪|杨仁灿|李建昌

云南师范大学能源与环境科学学院，中国昆明650500

摘要

细胞外电子转移（EET）效率低下仍然是限制生物电化学系统（BES）性能的主要瓶颈。在BES中，细胞外聚合物物质（EPS）作为微生物与电极之间的关键界面，其电化学性质直接影响EET的速率。本文研究表明，偏压（BV）可以通过调节EPS的组成和结构显著增强EPS介导的EET。通过多尺度表征方法分析EPS，我们发现偏压使EPS蛋白质的主要二级结构从β-折叠转变为β-转角，并富集了关键的氧化还原介质。富含氧化还原介质的腐殖酸物质和细胞色素c的相对含量分别增加了21.4%和110.6%。最终，在EPS中建立了一个以细胞色素c、醌类化合物和吲哚化合物为主的介质系统，从而增强了其电化学活性。在0.4 V的偏压下，各组分对EET的贡献达到了最佳平衡，优化了EPS的氧化还原状态，并显著提高了其电子交换能力，使EPS介导的EET速率提高了24.6%。这些发现阐明了偏压增强EPS介导的EET的机制，并为EPS在EET中的关键作用提供了新的见解。

引言

细胞外电子转移（EET）是指电活性微生物与其外部环境之间交换电子的过程。目前已知的EET途径包括由内源性或外源性电子穿梭体介导的间接电子传输，以及由外膜细胞色素和纳米线介导的直接电子传输（Liu等人，2024年）。外源电子供体和电子受体分别进行向外和向内的电子转移（Zhang等人，2024年）。这一过程在生物地球化学循环、污染物修复和生物电化学系统（BES）等领域具有重要的应用潜力（Li等人，2025b年）。BES包括用于发电的微生物燃料电池（MFCs）、用于生产氢气或甲烷的微生物电解池，以及用于化学合成的微生物电化学（Li等人，2025a年；Logan等人，2019年），所有这些过程都依赖于EET。然而，尽管EET在自然界中普遍存在（Burton等人，2025年），但其低效率仍然是限制BES性能的主要瓶颈（Li等人，2025a年；Quek等人，2022年）。

为了提高EET速率，已经广泛研究了结合合成生物学、电极材料改性以及生物膜/电极界面工程调控的多种策略。例如，血红素锚定的石墨烯电催化剂（Liu等人，2025c年）和Shewanella oneidensis MR-1中的吩嗪-1-羧酸生物合成途径（Li等人，2025a年）都能促进EET。此外，外源性添加或增强内源性生物合成电子穿梭体也可以增加EET。虽然许多电子穿梭体或导电材料可以被电活性微生物利用来促进EET，但这种外源性添加方法被认为不可持续，甚至可能导致生物毒性（Lv等人，2025年）。相比之下，电场作为一种常见的物理刺激，已被发现可以增强EET。对Geobacter sulfurreducens生物膜施加电场可以刺激细胞色素OmcZ纳米线的产生，其导电性比细胞色素OmcS纳米线高1000倍（Yalcin等人，2020年）。此外，电场还被证明可以调节电极表面和溶液中的种间电子转移行为（Wang等人，2020年），同时增强液相中的质量传递过程（Liu等人，2025a年）。尽管电场是促进EET的有效手段，但其背后的机制仍不清楚，这严重限制了BES性能的有效提升。

细胞外聚合物物质（EPS）是由微生物分泌的大分子混合物，主要由多糖、蛋白质和核酸组成，它们决定了生物膜的物理化学性质（Xiao等人，2017年）。EPS有助于生物膜的形成，并保护细胞免受不利环境条件的影响。它可占生物膜干重的90%，几乎包裹所有细胞，形成电子转移必须穿越的物理屏障（Mahto等人，2022年）。EPS并非惰性屏障，因为它具有电化学活性（Kayoumu等人，2025年；Xiao等人，2017年）。EPS中的特定蛋白质具有氧化还原活性和导电性，使其能够直接参与EET过程（Kayoumu等人，2025年）。例如，细胞色素c对EPS的电子传输能力贡献高达80%（Xu等人，2021年）。核黄素、腐殖酸和富里酸也被证明是EPS层中电子传输的关键贡献者（Cheng等人，2020年；Sathishkumar等人，2020年）。其中，腐殖酸的作用最为显著，其导电性范围为10^-7至10^-3 S/cm（Xiao & Zhao，2017年），表现出半导体特性。DNA也被证明可以作为半导体参与电子传输，其导电性范围为10^-9至10^-3 S/cm。此外，EPS的电子传输能力与其蛋白质的二级结构密切相关（Liao等人，2021年）。α-螺旋肽通过增加偶极矩促进分子内电子转移（Jiang等人，2023年）。β-转角可以作为电子中继，促进长距离电子迁移并表现出高导电性（Samajdar等人，2024年；Song等人，2019年）。因此，EPS中的氧化还原介质类型和浓度，以及蛋白质构象和导电性共同调节了其介导EET的能力。尽管EPS可以储存氧化还原介质，但其组分扩散系数低于水，可能会影响营养物质的吸收和代谢产物的释放。特别是，致密的EPS结构由于质量传递阻力和非导电成分的存在而抑制EET（Sheng等人，2010年）。去除EPS可以使细胞实现更快的EET（Gao等人，2019年）；然而，这一过程本质上是一种权衡，因为它同时剥夺了细胞对环境压力的天然防御能力。显然，EPS在EET中的作用仍存在争议。值得注意的是，EPS来源于微生物代谢或裂解，其性质对环境条件非常敏感，甚至可能受到环境条件的调节（Wang等人，2018年）。例如，多糖和蛋白质含有各种带电功能基团（如酰胺、羧基、羟基、氨基和磷酸基团）（Siddharth等人，2021年），这些基团会随着环境pH值或离子强度的变化而改变其离子化状态（Fang等人，2014年），从而调节EPS的行为和功能。在之前研究电刺激增强EET的研究中，尚不清楚电刺激是否通过调节EPS来影响EET过程。由于EET必须穿越EPS层，因此阐明电刺激下EPS在EET过程中的作用对于揭示其增强机制至关重要。

为此，在本研究中，我们提出以下假设：施加偏压（BV）通过电刺激或静电相互作用调节EPS的特性，从而增强其介导的EET。我们旨在构建一个受BV调控的BES，重点研究EPS在生物膜中的BV响应。通过电化学分析、光谱学和代谢组学等先进表征技术，深入研究BV对EPS组成、电化学活性和结构的调控作用，以阐明BV调控下EPS在EET中的作用。

研究部分片段

BES的构建与启动

使用定制的双腔MFC反应器，阳极室和阴极室由Nafion 117质子交换膜分隔，有效面积为16 cm²。阳极电极由一块3 cm × 3 cm × 0.5 cm的石墨块组成，阴极电极是由30 mm × 30 mm × 0.2 mm的镀铂电极制成。使用前，电极依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗30分钟。

EPS组分对偏压的响应及其在EET中的作用

作为生物膜-电极界面的关键介质，EPS的组成显著影响EET效率。为此，我们研究了施加的偏压对EPS组成和含量的调控作用。结果表明，EPS的合成表现出对偏压的依赖性。在0 V时，EPS的总含量仅为0.46 mg，施加偏压后增加了21.74–250%。值得注意的是，在0.8 V时，EPS的总含量达到1.61 mg，是对照组的3.5倍（图2a）。

结论

本研究证实，施加适当的偏压可以协同调节EPS的合成、组成和结构，从而增强EPS介导的EET并提高MFC的性能。一方面，偏压促进了EPS的合成，总产量达到对照组的3.5倍，使蛋白质成为主要成分；另一方面，偏压使蛋白质的二级结构向有利于电子转移的β-转角构象转变。

CRediT作者贡献声明

刘洪洲：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，概念化。顾思杰：可视化，验证，研究，数据管理。唐晓雪：可视化，验证，研究，数据管理。杨仁灿：可视化，验证，研究，数据管理。李建昌：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22469025）和云南省重大科技专项（202302AE090009）的支持。