Enhancing Extracellular Electron Transfer of Shewanella oneidensis MR-1 through Coupling Improved Flavin Synthesis and Metal-Reducing Conduit for Pollutant Degradation

舍瓦内拉 微生物燃料电池 黄素组 电子转移 希瓦氏菌属 化学 地杆菌 生物降解 电子受体 光化学 细菌 生物化学 生物膜 电极 有机化学 阳极 生物 物理化学 遗传学
作者
Di Min,Lei Cheng,Feng Zhang,Xue-Na Huang,Dao‐Bo Li,Dongfeng Liu,Tai‐Chu Lau,Yang Mu,Han‐Qing Yu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:51 (9): 5082-5089 被引量:200
标识
DOI:10.1021/acs.est.6b04640
摘要

Dissimilatory metal reducing bacteria (DMRB) are capable of extracellular electron transfer (EET) to insoluble metal oxides, which are used as external electron acceptors by DMRB for their anaerobic respiration. The EET process has important contribution to environmental remediation mineral cycling, and bioelectrochemical systems. However, the low EET efficiency remains to be one of the major bottlenecks for its practical applications for pollutant degradation. In this work, Shewanella oneidensis MR-1, a model DMRB, was used to examine the feasibility of enhancing the EET and its biodegradation capacity through genetic engineering. A flavin biosynthesis gene cluster ribD-ribC-ribBA-ribE and metal-reducing conduit biosynthesis gene cluster mtrC-mtrA-mtrB were coexpressed in S. oneidensis MR-1. Compared to the control strain, the engineered strain was found to exhibit an improved EET capacity in microbial fuel cells and potentiostat-controlled electrochemical cells, with an increase in maximum current density by approximate 110% and 87%, respectively. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis showed that the current increase correlated with the lower interfacial charge-transfer resistance of the engineered strain. Meanwhile, a three times more rapid removal rate of methyl orange by the engineered strain confirmed the improvement of its EET and biodegradation ability. Our results demonstrate that coupling of improved synthesis of mediators and metal-reducing conduits could be an efficient strategy to enhance EET in S. oneidensis MR-1, which is essential to the applications of DMRB for environmental remediation, wastewater treatment, and bioenergy recovery from wastes.
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