Autotrophic nitrate reduction to ammonium via reverse electron transfer in Geobacter dominated biofilm

地杆菌 硫化地杆菌 反硝化 电子转移 化学 硝酸盐 电子受体 电子传输链 生物膜 电子供体 光化学 细菌 生物化学 氮气 生物 催化作用 有机化学 遗传学
作者
Yue Wu,Qing Du,Yuxuan Wan,Qian Zhao,Nan Li,Xin Wang
出处
期刊:Biosensors and Bioelectronics [Elsevier]
卷期号:215: 114578-114578 被引量:36
标识
DOI:10.1016/j.bios.2022.114578
摘要

Geobacter dominated electroactive biofilms (EABs) have been demonstrated to perform bidirectional extracellular electron transfer (EET) in bioelectrochemical systems, but it is largely unknown when nitrate is the electron acceptor at the cathode. If reverse EET occurs on biocathode, this EAB has to perform dissimilatory nitrate reduction to ammonia (DNRA) rather than denitrification according to genomes. Here, we have proven the feasibility of reverse bioelectron transfer in EAB, achieving a DNRA efficiency up to 93 ± 3% and high Faraday efficiency of 74 ± 1%. Constant current was found to be more effective than constant potential to maintain Geobacter on the cathode, which highly determines this electrotrophic respiration. The prevalent DNRA at constant current surpassed denitrification, demonstrated by the reverse tendencies of DNRA (nrfA) and denitrification (nirS and nirK) gene transcription. Metatranscriptomics further revealed the possible electron uptake mechanisms by which the outer membrane (OmcZ and OmcB) and periplasmic cytochromes (PpcB and PpcD) may be involved. These findings extend our understanding of the bidirectional electron transfer and advance the applications of EABs.
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