Extracelulární přenos elektronů u baktérií

Bc. Michal Šimčák

Bachelor's thesis

Extracellular electron transfer in bacteria

Abstract:

Thanks to special mechanisms, certain types of bacteria are able to exchange electrons with extracellular minerals, which act as acceptors or electron donors. The basic components that mediate this transport and are described in this thesis include type C cytochromes, conductive nanowires and electron shuttles, which have the ability to circulate between the cell and the mineral. The potential uses of this process in biotechnology have also been described. In the practical part of the bachelor thesis, the ability of the bacterium Paracoccus denitrificans to use this model of electron transfer was tested. The electroactivity of P. denitrificans bacteria was tested on an assembled microbial fuel cell. After the assembly of the fuel cell, changes in electrical voltage and current as a function of time were monitored. The observed current and voltage varied from day to day. From the initial days of the experiments, the values were low, and over the course of several days, their activity grew slowly until it reached its maximum. In the following days, the values fell again. This course should correlate with the assumption that the bacteria gradually adapted to the environment and their activity increased. Subsequently, most of the substrate was consumed so their activity began to degrade. In one of the experiments, an exogenous electron mediator was added to the microbial fuel cell. This resulted in increasing the electron transfer activity between the bacteria in the individual parts of the fuel cell was observed.

Abstract:

Některé druhy bakterií si díky speciálním mechanismům dokážou vyměňovat elektrony s extracelulárními minerály a elektrodami, které fungují jako akceptory nebo donory elektronů. Mezi základní složky, které zprostředkovávají tento transport a jsou popsány v této práci, patří cytochromy typu c, vodivé nanodráty a elektronové přenašeče, které mají schopnost cirkulovat mezi buňkou a minerálem. Popsány byly i potenciální využití tohoto procesu v biotechnologiích. V praktické části bakalářské práce byla testována schopnost bakterie Paracoccus denitrificans využít tento model přenosu elektronů. Elektroaktivita bakterií P. denitrificans byla testována na sestaveném mikrobiálním palivovém článku. Po montáži palivového článku se sledovaly změny elektrického napětí a proudu v závislosti na čase. Pozorovaný proud a napětí se ze dne na den měnily. Od prvních dnů experimentů byly hodnoty nízké a během několika dní jejich aktivita pomalu rostla, dokud nedosáhla maxima. V následujících dnech hodnoty opět klesly. Tento průběh by měl korelovat s předpokladem, že se bakterie postupně adaptovaly na prostředí a jejich aktivita se zvyšovala. Následně se většina substrátu spotřebovala tak, že jejich činnost začala degradovat. V jednom z experimentů byl do mikrobiálního palivového článku přidán exogenní elektronový mediátor. Bylo pozorováno zvýšení přenosu elektronů mezi bakteriemi v jednotlivých částech palivového článku.

Keywords

extracelulární přenos elektronů, cytochromy typu c, nanodráty, elektronové přenašeče, Shewanella, Geobacter, Paracoccus denitrificans, mikrobiální palivový článek, extracellular electron transfer, cytochrome type c, nanowires, electron shuttles, microbial fuel cells

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 5. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 20. 6. 2022
• Supervisor: prof. RNDr. Igor Kučera, DrSc.
• Reader: Mgr. Jiří Kučera, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Applied Biochemistry / Applied Biochemistry