Shewanella oneidensis-based artificial conductive micro-niche for hydrogen augmentation

基于Shewanella oneidensis的人工導電微環境用于氫氣增產

來源：Chemical Engineering Journal

《化學工程雜志》

摘要內容：

該研究開發了一種將Shewanella oneidensis（S. oneidensis）與石墨烯、聚多巴胺（PDA）和海藻酸鈣整合的人工導電微環境（微生態位），用于增強氫氣（H?）生產。研究發現，微環境內的呼吸代謝誘導局部缺氧條件，同時導電材料（如石墨烯）促進了細胞間電子轉移，將胞外電子逆向傳遞至周質氫酶，使產氫速率比游離S. oneidensis提高12.7倍。此外，該微環境生物相容性良好，可持續產氫30天。

研究目的：

開發一種基于微生物-非生物材料復合的人工微生態系統，通過調控缺氧環境和電子傳遞路徑，顯著提升S. oneidensis的產氫效率和長期穩定性。

研究思路：

構建微環境：通過Pickering乳液法將S. oneidensis封裝在海藻酸鈣/石墨烯基質中，形成高密度細胞聚集的微生態位。

調控缺氧環境：利用細菌呼吸代謝消耗內部氧氣，激活氫酶活性。

增強電子傳遞：引入導電材料（石墨烯、PDA）優化細胞間電子轉移路徑，促進胞外電子逆向傳遞至氫酶。

測量數據及研究意義：

氧氣濃度分布（圖2h）：使用丹麥Unisense微電極測量微生態位內部的氧氣濃度，發現25μm深度處氧氣濃度趨近于零，表明內部形成缺氧環境，激活了氫酶活性。

研究意義：缺氧環境是氫酶催化產氫的關鍵前提，此數據直接驗證了微環境設計的有效性。

氧化還原電位（圖2i）：微生態位的氧化還原電位隨深度增加從+337 mV降至-445 mV（vs. SHE），顯著低于游離細菌（-151 mV）。

研究意義：低氧化還原電位表明微環境具有更強的還原能力，有利于產氫反應。

電化學阻抗譜（圖3h）：導電微生態位（如MR-1/G）的電荷轉移電阻（Rct=65.33Ω）比普通微生態位（Rct=117.8Ω）降低44.5%。

研究意義：導電材料的引入顯著提升了電子傳遞效率，為電子逆向傳遞至氫酶提供支持。

產氫性能（圖3b、5f）：導電微生態位（MR-1@PDA/G）的產氫速率達0.37 μmol/day，是游離細菌的12.7倍，且可持續30天。

研究意義：證明了導電微環境在提升產氫效率和長期穩定性方面的優勢。

結論：

微生態位的構建通過呼吸代謝誘導缺氧環境，激活氫酶活性，并通過高密度細胞聚集促進胞間電子傳遞。

石墨烯和PDA的引入優化了電子轉移路徑，實現了胞外電子逆向傳遞至周質氫酶，顯著提升產氫速率。

該微環境生物相容性優異，支持S. oneidensis持續產氫30天，為微生物-非生物雜化系統在綠色生物制造中的應用提供了新策略。

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀：

通過Unisense微電極測得的氧氣濃度數據（圖2h）顯示，微生態位內部深度25μm處氧氣濃度趨近于零，表明呼吸代謝成功創造了缺氧環境。這一數據直接驗證了微環境設計的核心機制——缺氧是氫酶催化產氫的必要條件。此外，氧化還原電位隨深度降低（圖2i）進一步表明微環境內部形成了強還原性微區，為產氫反應提供了熱力學驅動力。這些數據不僅證實了理論假設，還為優化微環境結構（如細胞密度、材料導電性）提供了實驗依據。