Electron transfer of Pseudomonas aeruginosa CP1 in electrochemical reduction of nitric oxide

銅綠假單胞菌CP1在一氧化氮電化學還原中的電子轉移

來源：Bioresource Technology, Volume 218, 2016, Pages 1271-1274

《生物資源技術》第218卷，2016年，第1271-1274頁

 

摘要

本研究報道了由銅綠假單胞菌CP1菌株催化的催化電化學還原一氧化氮。在有細菌存在的情況下產生的電流是無細菌情況下的4.36倍。通過一系列循環伏安實驗揭示，該菌株能夠通過間接電子轉移催化NO的電化學還原?；罴毦置诘饺芤褐械目扇苄噪娮哟┧篌w是產生催化效應的原因。通過檢測中間產物一氧化二氮也證實了NO還原的增強，有菌條件下的濃度比對照高46.4%，說明該電子轉移途徑并非直接將NO還原為N2。本研究結果可能為生物催化劑去除NO領域的生物電化學研究提供一個新模型。

 

研究目的

本研究旨在揭示微生物催化的NO電化學還原中可能的電子轉移途徑，并測試利用銅綠假單胞菌CP1進行電化學NO去除的可行性。研究目標是為替代鉑和貴金屬催化劑提供一種替代策略。

 

研究思路

研究采用循環伏安法分析銅綠假單胞菌CP1催化NO電化學還原的機理。在一個三電極系統中進行測試，比較在有菌和無菌的磷酸鹽緩沖液、以及細菌培養上清液中的電化學行為。通過在不同時間點（如加菌后、氮氣吹掃后、注入NO后）進行CV掃描，觀察電流和還原峰的變化。同時，使用丹麥Unisense微傳感器檢測溶液中的NO和N2O濃度，以驗證NO的還原過程和中間產物的生成。

 

測量的數據及研究意義

1 測量的電流數據：通過循環伏安法測量了在有無細菌存在下NO還原的電流。有菌時產生的電流是無菌時的4.36倍，表明細菌對NO還原有顯著的催化作用。該數據主要來自圖2A的CV曲線，比較了線條c（有菌+NO）和線條d（無菌+NO）的電流值。

 

2 測量的N2O濃度數據：使用丹麥Unisense微傳感器測量了溶液中的N2O濃度。在有菌條件下，N2O濃度達到3.65±0.07 mg/L，比無菌對照（2.50±0.10 mg/L）高出46.4%。該數據表明NO還原過程中產生了N2O中間體，證明反應是分步進行的。

3 測量的可溶性電子穿梭體活性數據：通過CV檢測細菌培養上清液，在約-140 mV處觀察到一個氧化還原峰，這與已知的銅綠假單胞菌分泌的電子穿梭體（如綠膿菌素）相符。該峰在注入NO后增大，表明這些可溶性物質參與了NO還原的電子傳遞。該數據來自圖2B的CV曲線，特別是線條c。

 

研究意義在于：電流數據證實了細菌的生物催化作用，顯著提高了NO電化學還原的效率。N2O濃度數據揭示了具體的反應路徑，即NO先被還原為N2O，而非直接生成N2，這對于理解生物電化學系統中的反硝化過程至關重要?？扇苄噪娮哟┧篌w的活性數據則闡明了電子轉移的機制是間接的，主要由細菌分泌的 soluble shuttles 介導，這為開發低成本、高效的生物電化學系統提供了理論基礎。

 

結論

1 銅綠假單胞菌CP1能夠通過間接電子轉移方式催化NO的電化學還原。

2 催化作用主要由細菌分泌的可溶性電子穿梭體介導，這些穿梭體通過在電極表面還原NO來發揮作用。

3 NO的電化學還原是一個受擴散控制的過程，部分原因是NO的低溶解度。

4 電子轉移路徑并非直接將NO還原為N2，而是先還原為N2O中間體。

5 該研究為生物電化學系統（如微生物電解池）用于NO處理提供了基礎信息，并可能成為一種降低成本的替代策略。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微傳感器測量出的NO和N2O數據具有重要的研究意義。首先，N2O濃度的精確測量（有菌條件下3.65±0.07 mg/L，無菌條件下2.50±0.10 mg/L）直接證實了在細菌催化下，NO還原的中間產物N2O的生成量顯著增加。這一發現意義重大，因為它明確了該生物電化學催化過程的反應路徑是分步進行的：2 NO + 2 e? + 2 H+ → N2O + H2O，而不是一步直接還原為氮氣。這加深了對生物催化反硝化過程機理的理解。其次，通過對比有菌和無菌條件下的N2O濃度差異，該數據有力地證明了細菌及其分泌物的存在確實增強了對NO的還原能力，將生物作用與非生物作用（如可能由在負電位下產生的氫氣導致的還原）區分開來，凸顯了生物催化劑的獨特作用。此外，NO濃度變化不大（僅差4.8%）的測量結果說明，在實驗時間尺度內，溶液本體中的NO消耗不明顯，暗示了反應可能主要局限在電極表面附近，這支持了作者關于反應受傳質（NO低溶解度）限制的觀點。因此，Unisense電極提供的關鍵氣體濃度數據為驗證催化效果、闡明反應機理和認識過程限制因素提供了直接、定量的實驗證據，是得出研究結論的重要支撐。