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微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的系统,可在除去污染物的同时产生电能且不会对环境造成危害。铜绿假单胞菌因其产生的吩嗪类化合物具有电子传递作用,可用于构建微生物燃料电池。如何提高微生物燃料电池总产电量一直研究的热点问题。本研究以铜绿假单胞菌SJTD-1及其突变菌株为实验对象,对以其构建的微生物燃料电池的放电过程与主要影响因素进行了研究。结果显示,铜绿假单胞菌SJTD-1产生的次生代谢产物吩嗪-1-羧酸(Phenazine-1-acid,PCA),是其微生物燃料电池中的主要电子传递体;微生物燃料电池产生的电压会随着其浓度增高而逐渐增加。尽管敲除转录因子MvaT的突变菌株SJTD-1(ΔmvaT)的PCA产量较野生型有所提升,但其燃料电池放电电压近130 mV,远低于野生型菌株440 mV的最大电压。而且,两者的电压时间曲线差异较大,突变菌株电压可持续约40小时的最高峰值,而野生型菌株电压则在其达到峰值后迅速下降。这说明吩嗪-1-羧酸作为电子传递体是微生物燃料电池放电过程中的主要因素,但不是唯一决定因素。进一步研究发现,发酵液中的细菌存活数也会影响微生物燃料电池的产电量。初始放电阶段,微生物燃料电池中产生的电压会随活菌数目不断增加而逐渐增大。当细菌进入稳定期达到最大活菌量时,燃料电池系统的电压也到达峰值。之后,细菌进入衰亡期后活菌数量逐渐减少,电压也随之下降。与野生菌株相比,突变菌株SJTD-1(ΔmvaT)在发酵过程中的细胞存活时间更长,放电时间更持久。野生型SJTD-1仅能放电90小时,产生1.30 J的总电量;而突变株SJTD-1(ΔmvaT)则可在生物燃料电池中持续放电超过160小时,总电量可达2.32 J。因此,延长铜绿假单胞菌在发酵液中的存活时间,可增加其放电时间,提高微生物燃料电池的总产电量。此外,为了探究突变株存活时间延长的可能机制,我们利用基于i-TRAQ标记的蛋白组学方法比较了野生菌株SJTD-1和突变菌株SJTD-1(ΔmvaT)在无机盐培养基中生长时的表达蛋白。结果显示,有66个蛋白的表达水平呈现显著差异,其中37个显著上调,29个显著下调。这些蛋白参与了包括物质转运与代谢、细胞生长防御及信号转导等多条胞内代谢途径。其中,与铜绿假单胞菌生长相关的基因表达水平上调,如基因opmD在突变菌株中的表达量较野生菌株上调了4.9倍,可能导致了突变菌株的存活时间延长。本工作可为微生物燃料电池产电量提高的研究提供新思路,有利于推进微生物燃料电池的实际应用研究。