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近年来,微生物电化学系统(microbial electrochemical system,MES)已成为能源与环境领域的研究热点,而产电菌是生物电化学系统的关键组成部分之一,充当生物催化剂,氧化有机底物,并通过电子传递系统,将获得的电子传递到阳极。现有的研究表明,由阳极产电菌与阳极间的界面电子传递(胞外电子传递)是MES的关键步骤。产电菌与电极间的异相电子传递步骤是由界面附近的产电菌细胞色素完成的,可通过电化学分析来表征。相关研究发现,产电菌的电化学信号会随工作电位的不同而发生变化,推测与电极接触的产电菌可根据电极电位的不同来改变自身的电子传递系统,从而获得最多的能量。但产电菌的胞外电子传递系统是否确切发生改变还不清楚；此外,低电位下工作的产电菌可提高MES的性能,相关文献普遍将阳极底物的标准氧化电位作为阳极的热力学极限,并认为已知的模式产电细菌在进行胞外电子传递时,已经接近这一极限。但本课题组前期的发现与该认知有差异。鉴于此,本文探究了-0.25V、-0.20V、0.00V及+0.20V四组不同工作电位下模式产电菌Geobactcter sulfurreducens的电化学信号,并对信号差异明显的G.sulfurreducens的基因转录水平进行了对比分析,从分子水平为产电菌电化学信号的改变与电子传递系统改变的关联性提供证据,为解释自然环境下发生的一些重要过程机理提供依据,并为MES的阳极热力学极限的准确定义提供思路。(以下电位均以标准氢电极作参考标准)1在设定的电位水平下,G.sulfurreducens均可以产电,最低工作电位降至-0.25 V。计时电流实验结果表明,+0.20 V0.00 V的电位水平下,产电菌可在约3.0h后产生催化电流,对应阳极并分别在70±5h和72±5h首次达到最大活性,产电菌产生电流密度分别为90±6 uA/cm2和85±2 uA/cm2；而-0.20 V的工作电位下,反应器启动时间延长到约7.5 h,阳极在111±4h首次达到最大活性,电流密度为14±5 uA/cm2:对于接近热力学极限的电位水平-0.25 V的水平下,在约165 h后初次可产生催化电流,且阳极在368±5h首次达到最大活性,电流密度为3±1uA/cm2,且在该电位水平下,产电菌产生的最大电流密度为14±4 uA/cm2.2在所设的四个电位水平下,阳极上均附着G.sulfurreducens,-0.25V工作电位下,附着量较少。扫描电子显微镜的结果表明,充当阳极的碳布,在+0.20V水平下,碳纤维上非常密实而均匀地附着了生物膜,平均厚度为1.0um;0.00 V水平下,碳纤维上较均匀地附着了生物膜,碳纤维最粗处的生物膜厚度为1.0 um；-0.20 V水平下,碳纤维上稀疏且均匀地附着了单层生物膜,平均厚度0.4 um；-0.25V水平下,碳纤维上稀疏地附着了G. sulfurreducens。一定范围内,电极电位越高,产电菌获得的能量越大,越利于生物膜的形成。3对比不同电位G. sulfurreducens电子传递系统末端的CV和DPV信号,在催化期,信号存在显著差异,-0.25V电位下的主要氧化还原峰的中值电位为-0.238±0.004V,进行双电子传递。催化期的DPV结果表明,-0.25 V水平下,G. sulfurreducens的电化学信号表现为主峰中值电位在-0.25--0.20V的范围内,进行双电子传递,而-0.20V电位水平下,G. sulfurreducens的电化学信号为混合双峰,主峰中值电位为-0.187±0.006V,也进行双电子传递,0.00 V及+0.20 V水平下,G. sulfurreducens的电化学信号的双峰融合,形成单峰,峰电位接近-0.158±0.006 V,为单电子传递；催化期的CV结果显示,-0.25 V水平下,G. sulfurreducens的电活性中心中值电位为-0.237±0.003V,-0.20 V水平下为-0.182±0.003 V,0.00 V及+0.20 V水平下,为-0.158±0.002V,与DPV结果基本一致。非催化期的DPV结果表明,不同电位水平下的G. sulfurreducens的电化学信号基本相同,均主要包括中值电位为-0.180±0.005 V和-0.090±0.004V两对氧化还原峰,峰高度比例基本一致,而非催化期CV的结果也符合此现象,所含的两个电活性中心的中值电位与该电位基本相同。因此,不同电位水平下,G. sulfurreducens在催化期和非催化期的电化学信号不同,电位对催化期的电化学信号有显著影响。4差异转录基因分析对电化学信号差异最明显的+0.20 V与-0.25 V两组催化期的阳极上附着的G. sulfurreducens的基因转录水平进行分析,得出该两组样本之间有373个差异显著基因,其中,两样本均含有的基因共366个,+0.20 V组样本特有基因3个,-0.25V组样本特有基因4个。较+0.20 V样本,-0.25 V样本共有282个差异显著基因上调,其中24个基因涉及细胞色素C；有91个差异显著基因下调。并且,差异倍数4倍以上的上调基因114个。GO富集分析结果表明,282个上调基因,共涉及19条GO,分别包括BP(Biological Process)、CC (Cell Components)、MF (Molecular Function)类8、2、9条,其中显著富集的GO分别为1、1、5条,分别与“电子传递”,“膜组成”,“电子载体活性”、"NADH脱氢酶活性”、“与NADH或NADPH相关的氧化还原酶活性”、“钼离子绑定”功能及NADH脱氢酶(醌类)活性等相关；而91个下调基因共涉及23条GO,包括12条BP类,11条MF类,MF类中共有5条与“物质跨膜运输”有关的GO显著富集。KEGG通路富集分析结果显示,基于全部的差异显著基因,共有52条KEGG通路参与。上调基因共参与45条KEGG通路,包括1条极显著富集通路——“氧化磷酸化涉及的能量代谢”(p_fdr<0.001)；下调基因共参与21条KEGG通路,并有3条通路显著富集,为分别与硫相关的“物质代谢”和“遗传信息处理”综合差异基因表达分析结果,不同电极电位可引起催化期产电菌的电子传递系统发生了变化。