利用纳米电极平台和单细胞成像探测 Shewanella oneidensis MR-1 中的电子传递机制

微生物燃料电池（MFCs）代表了一种极具前景的可持续能源生产方法，因为它们无需催化剂即可直接通过有机底物的代谢产生电能。然而，微生物与电极之间可能最终限制功率输出的电子传递机制仍存争议。在此，我们展示了光学透明纳米电极作为研究 Shewanella oneidensis MR-1 细胞外电子传递的平台，其中纳米孔阵列可阻止微生物与电极直接接触，而单窗口则允许直接接触。在添加细胞后，短路电流测量显示两种电极构型具有相似的幅度和时间响应，而原位光学成像表明测得的电流与电极上的细胞数量不相关。高分辨率成像显示细胞体发出了直径为 4 至 5 nm 的细小细丝，尽管这些细丝似乎与电流产生不相关。在致密细胞层中，两种类型的电极在更长时间后产生相似的电流，并在去除扩散性介体后电流迅速下降。重新引入原始无细胞培养基后，电流迅速恢复至原始水平的约 80%，而成像显示在溶液交换过程中 > 70% 的细胞位置保持不变。总的来说，这些测量结果表明，在该模型系统中电子传递主要通过介体机制发生。最后，电流和细胞位置的同步测量表明，细胞运动性与电子传递呈负相关。在单细胞水平上控制和成像细胞/电极相互作用的能力，为推进我们对 MFCs 的基础理解提供了一种强有力的方法。