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摘 要

微生物电合成是近10年发展起来的生物电化学技术，以利用电能推动生产有机物为目的。目前该技术主要用于厌氧还原性代谢产物的合成，将电极阴极提供的电子通过一系列的电子传递途径传递到胞内，转化为胞内可利用的还原力NADH，将可再生的电能转化为相应的化学能。目前利用微生物电合成技术将电能转换为还原力合成化学品备受关注。而细胞膜是培养环境与细胞内部的一道天然屏障，大肠杆菌中缺乏天然的直接电子传递通道。本课题是将铜假绿单胞杆菌吩嗪-1-羧酸的合成途径途径引入大肠杆菌中，实现电子在无生命的电极与有生命的细胞之间可以高效传递，提高大肠杆菌电子传递效率，使其单位OD菌体丁二酸产量从3.43g/L提高到6.83g/L。

关键词：微生物电合成 微生物燃料电池 电子传递 厌氧代谢

The Construction of Electron Transport of Escherichia

Abstract

Microbiological electrosynthesis is a bioelectrochemical technology developed in the last 10 years to use electrical energy to drive organic matter. At present the technology mainly for the anaerobic reductibility metabolites synthesis, will provide the cathode electrode through a series of electronic transmission to the intracellular, into intracellular NADH available reduction force, renewable energy can be converted to the corresponding chemical energy. Currently, the use of microorganism electrosynthesis technology to convert electric energy into reducing force synthetic chemicals is closely watched. The cell membrane is a natural barrier between the environment and the inside of the cell, which lacks the natural direct electron transport channel. This topic is to fake green copper single bacillus phenazine way - 1 - carboxylic acid synthesis methods introduced in e. coli, realize the electronic in inanimate can efficiently transfer between electrode and living cells, improve the efficiency of the escherichia coli electron transfer, make its succinic acid production unit OD bacteria increased from 3.43 g/L to 6.83 g/L.

Key Words: Microbial electroporation; Microbial fuel cell; Electronic transmission;

Anaerobic metabolism

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文 献 综 述 4

1.1直接电子传递（DET） 4

1.2间接电子传递（IET） 5

1.2.1 间接电子传递简介 5

1.2.2 利用吩嗪类进行间接电子传递 6

1.3本课题的研究意义 7

第二章 实验材料和方法 8

2.1实验菌株和载体 8

2.2实验器材 8

2.3实验试剂 8

2.4 培养基 9

2.5细菌基因组DNA提取 10

2.6 phzA1B1C1D1F1G1基因片段的合成 10

2.6.1 引物的设计与合成 10

2.6.2 PCR扩增反应 11

2.6.3 结果分析 12

2.6.4 PCR产物回收纯化 12

2.7质粒提取 13

2.8 PCR结果验证——琼脂糖凝胶电泳 14

2.9 重组表达质粒的构建及鉴定 14

2.9.1空表达载体的酶切与纯化 14

2.10 CaCl₂感受态的制备 14

2.11 质粒转化到大肠杆菌的过程的过程 15

2.12重组E.coli工程菌株的验证 15

2.13富集菌落 16

2.14将重组菌利用电化学的方法进行发酵培养 16

2.15 菌体生长测定（以OD₆₀₀表示）和留样 16

2.16高效液相色谱 16

第三章 实验结果和讨论 18

3.1 在大肠杆菌体内构建PCA生产途径 18

3.2重组菌的诱导表达与PCA检测 21

3.2.2 PCA浓度测定 22

3.3 电子传递途径在MEC中的作用 23

3.4优化电子传递途径在MEC中的作用 25

参考文献 28

致 谢 31

第一章 文 献 综 述

当今社会化石燃料消耗日益增多，人类生产活动对化石燃料的依赖程度也不断增大，而使用过程中所带来的能源资源短缺和温室效应问题也越来越严重，目前全球社会需要寻找化石燃料的可替代能源，其中生物能可以充当其中一种替代能源。微生物电化学系统(Microbial Electrochemical Systems，MESs) （见图1-1）能够利用电化学活性微生物( Electrochemically Active Microorganisms，EAM)在电极上进行氧化反应或还原反应，使其在生物产能、生物修复，化学制造等领域起到重要作用。近年来，这些研究的发现使得微生物电合技术在环境污染治理和能源资源生产开发方面等各个方面受到广泛的关注。

微生物电合成技术以利用电能驱动CO₂生产各种化学物为目的。目前微生物电合成技术主要用于厌氧还原性代谢产物的合成，其原理是将阴极上的电子转化为胞内可利用的NADH，改变胞内NAD /NADH，从而增加还原性目标产物的生成量。当前微生物电合成技术在丁醇、丁酸、琥珀酸等厌氧还原性代谢产物的合成过程取得了一定的进展。然而，微生物胞外电子传递效率是限制其的应用的主要因素之一。

微生物电化学系统通过一系列的电子传递途径将电子从电子供体传递送到电子受体，是多种学科交叉渗透的一种新兴技术。按照微生物电化学系统电子传递过程机制，可以将其主要分为直接电子传递机制（DET）和间接电子传递机制两种（IET）。

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