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地杆菌(Geobacter)是一类具有胞外呼吸能力的厌氧细菌,广泛分布于土壤和地下水沉积物中,它们可在胞内彻底氧化有机物,产生的电子经胞内呼吸链传递至胞外电子受体(如铁氧化物、腐殖质、固体电极、互营细菌等)使其还原,并产生能量维持自身生长。地杆菌独特的胞外电子传递能力,使其在元素生物地球化学循环、土壤修复、污染物降解、厌氧消化产甲烷等方面具有重要应用价值。Geobacter sulfurrducens作为地杆菌中的模式菌株,具有完整的全基因组序列信息和完备的基因操作手段,被广泛用于地杆菌代谢、基因调控和胞外电子传递等方面的研究。Gsu.urreducens胞外分布着丰富的细胞色素c、胞外多聚物、菌毛和鞭毛。早期研究表明,G.sulfurreducens的胞外细胞色素c、胞外多聚物、菌毛等均可介导胞外电子传递。然而,鞭毛在地杆菌胞外电子传递过程的作用还未见报道。本研究以Gsulfurreducens 为对象,通过基因操作方法,恢复菌株PCA鞭毛的表达和抑制菌株KN400鞭毛的表达,分别以水铁矿、石墨电极和互营细菌(Geobacter metallireducens)等作为胞外电子受体,探究鞭毛在Geobacter胞外电子传递中的作用。主要研究结论如下:(1)通过恢复G.sulfurreducen PCA菌株鞭毛表达,获得了菌株PCA-PRG5fgrM;通过抑制G.sulfurreducen KN400 菌株鞭毛表达,获得了菌株KNΔFilC;在缺失菌毛组装蛋白(PilB)基础上,获得了菌株 PCAΔPilB-PRG5fgrM 和 KNΔPilBΔFilC。(2)发现鞭毛可促进G.sulfurreducens还原胞外难溶性水铁矿。菌株PCA-PRG5FgrM对水铁矿的还原速率高于野生型菌株PCA,而菌株KNΔFilC对水铁矿的还原速率低于野生型菌株KN400,可见恢复鞭毛的表达可提高其还原水铁矿速率,而缺失鞭毛则使其水铁矿还原速率降低。说明鞭毛的游动性赋予了G.sulfurreducens 定位更多新鲜水铁矿的能力,进而提高其还原水铁矿的速率。(3)发现鞭毛可提高G.sulfurreducens 产电性能。通过生物膜厚度和总蛋白含量分析,发现鞭毛可提高2倍的生物膜厚度;在生物膜胞外细胞色素c含量与组成方面,缺失鞭毛使其胞外细胞色素c含量降低54.5%,但对其组成无影响;利用电化学手段表征生物膜,发现鞭毛可提高其将电子传递到电极的能力。结果表明,鞭毛可作为支架结构促进产电生物膜的形成,提高单位电极面积的产电生物量和胞外细胞色素c含量,从而提高其产电性能。(4)发现鞭毛不影响G.sulfurreducens KN400与G.metallireducens GS-15种间直接电子传递,但有利于共培养体系的形成。通过构建 KNΔFilC 与 GS-15、KN400 与 GS-15△FilC、KNΔFilC与GS-15ΔFilC等三组共培养体系,研究鞭毛种间直接电子传递中的作用,结果表明鞭毛在种间直接电子传递中无作用,但可促进共培养体系的形成。本研究通过构建G.sulfurreducens鞭毛表达与缺失的突变株,表明鞭毛可促进水铁矿还原、电极还原、互营细菌等胞外电子传递过程,不仅改变了鞭毛仅仅作为细菌运动性器官的传统认识,还为理解微生物胞外电子传递过程提供新的视角。