Enforcing energy consumption promotes microbial extracellular respiration for xenobiotic bioconversion

生物转化 舍瓦内拉 异型生物质的 生物 细胞外 微生物燃料电池 细胞内 微生物电解槽 生物化学 代谢途径 生物量(生态学) 细胞生物学 新陈代谢 细菌 化学 生态学 发酵 电极 遗传学 物理化学 阳极
作者
Zi‐Han Liang,Hong Sun,Yang Li,Anyi Hu,Qiang Tang,Han‐Qing Yu
出处
期刊:Environmental Microbiology [Wiley]
卷期号:25 (12): 2943-2957 被引量:2
标识
DOI:10.1111/1462-2920.16484
摘要

Extracellular electron transfer (EET) empowers electrogens to catalyse the bioconversion of a wide range of xenobiotics in the environment. Synthetic bioengineering has proven effective in promoting EET output. However, conventional strategies mainly focus on modifications of EET-related genes or pathways, which leads to a bottleneck due to the intricate nature of electrogenic metabolic properties and intricate pathway regulation that remain unelucidated. Herein, we propose a novel EET pathway-independent approach, from an energy manipulation perspective, to enhance microbial EET output. The Controlled Hydrolyzation of ATP to Enhance Extracellular Respiration (CHEER) strategy promotes energy utilization and persistently reduces the intracellular ATP level in Shewanella oneidensis, a representative electrogenic microbe. This approach leads to the accelerated consumption of carbon substrate, increased biomass accumulation and an expanded intracellular NADH pool. Both microbial electrolysis cell and microbial fuel cell tests exhibit that the CHEER strain substantially enhances EET capability. Analysis of transcriptome profiles reveals that the CHEER strain considerably bolsters biomass synthesis and metabolic activity. When applied to the bioconversion of model xenobiotics including methyl orange, Cr(VI) and U(VI), the CHEER strain consistently exhibits enhanced removal efficiencies. This work provides a new perspective and a feasible strategy to enhance microbial EET for efficient xenobiotic conversion.
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