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【科技快讯】博士生刘乐成等揭示微生物微观趋能运动影响其宏观运移行为机制

作者:    信息来源:    发布时间: 2021-03-18

第一作者:刘乐成(博士生,BEAT365体育)

通讯作者:柳广飞(BEAT365体育)

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微生物在多孔介质中的运移与滞留是其重要的环境行为,与饮用水净化、污水处理、土壤污染原位修复以及微生物采油等应用密切相关,近年来已引起环境和地球科学等领域学者越来越多的重视。过往研究主要关注介质颗粒的理化性质(如表面电荷、比表面积和表面粗糙度等)以及孔隙水相因素(如离子强度、流速、有机质和共存非生物胶体等)对细菌运移行为的影响,但有关生物对介质颗粒的代谢活性如何影响细胞运移行为所知甚少。土壤环境中存在铁/锰矿物和生物炭等多种多样的不溶性电子受体,附着在土壤颗粒表面或留存于土壤孔隙中,形成具有氧化还原活性的多孔介质,可能诱发希瓦氏菌等电活性菌向介质表面的趋能运动并影响其在饱和多孔介质中的运移行为。周集体教授和柳广飞副教授指导的博士生刘乐成采用砂柱实验,考察了典型电活性菌Shewanella oneidensis MR-1细胞在含水铁矿、二氧化锰和生物炭等不溶性电子受体的饱和多孔介质中的运移行为,发现提高电子受体负载量、添加电子穿梭体以及提高电子供体浓度均显著降低MR-1细胞的运移能力;而缺失胞外电子传递(EET)和鞭毛运动能力可导致MR-1细胞在饱和多孔介质中的运移能力提高40%以上。利用趋能运动实验以及对流-扩散模型反演分析进一步发现,MR-1 通过EET感知介质表面不溶性电子受体并进行趋能运动,促进细胞沿非水流方向的扩散和在介质表面的附着沉积,从而降低其在氧化还原活性介质中的运移能力。MR-1细胞直接和间接的EET方式导致两种趋能运动/运移行为模式:无外加电子穿梭体时,细胞主要通过与不溶性电子受体的接触实现EET和直接趋能运动,运移行为主要受热力学控制,运移能力与介质表面还原电位呈正相关关系;而当外加蒽醌-2,6-二磺酸盐(AQDS)等电子穿梭体后,细胞向氧化还原活性介质表面进行由电子穿梭体介导的间接趋能运动,运移行为主要受动力学控制,运移能力与介质接受电子速率呈正相关关系。该工作深化了对代谢活性影响微生物运移行为的理解。相关研究成果以“Energy Taxis toward Redox-Active Surfaces Decreases the Transport of Electroactive Bacteria in Saturated Porous Media”为题,发表于Environmental Science & Technology。

此研究得到了国家自然科学基金(项目编号:21876023)和高等学校学科创新引智计划(项目编号:B13012)的支持。




 

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