Spektroelektrochemische In‐situ‐Untersuchung von elektrokatalytischen mikrobiellen Biofilmen mit oberflächenverstärkter Resonanz‐Raman‐Spektroskopie

Abstract

Metallreduzierende Bakterien spielen nicht nur in geochemischen Redoxkreisläufen eine Schlüsselrolle, [1] sondern sind darüber hinaus von zunehmenden Interesse aufgrund ihrer Relevanz für mikrobielle bioelektrochemische Systeme, einer zukunftsträchtigen nachhaltigen Technologie.[2] Dies liegt in der Fähigkeit der Bakterien begründet, Substrate wie Acetat zu oxidieren und die Elektronen an einen unlöslichen terminalen Elektronenakzeptor -wie eisenhaltige Mineralien oder die Anode eines mikrobiellen bioelektrochemischen Systems -zu transferieren. Der zugrundeliegende Mechanismus der Elektronenübertragung zwischen Bakterium und Elektrode kann variieren und tritt als direkter sowie als vermittelter Elektrontransfer (DET bzw. MET) auf.[3] Im Fall von DET werden Elektronen aus der zellulären Atmungskette mittels einer komplexen Reaktionskaskade unter Verwendung von auf der äußeren Membran befindlichen Cytochromen (OMCs) zum anorganischen Zielmolekül transportiert.[4] Bei den OMCs handelt es sich um Multihämproteine, deren Funktion und Anzahl an Hämeinheiten innerhalb einer Bakterienfamilie stark variieren kann.[4] Zahlreiche Untersuchungen konzentrierten sich bereits auf das Verhalten dieser in mikrobielle Biofilme eingebetteten Proteine am Beispiel von Geobacter sulfurreducens, [5][6][7] dem Modellorganismus hinsichtlich DET. Trotz dieser Bemühungen liegt die Rolle dieser Cytochrome für den heterogenen Elektronentransfer an der Elektrodengrenzfläche noch weitgehend im Dunkeln. Dies ist verständlich, bedenkt man, dass Strukturdaten nur für zwei der am DET beteiligten OMCs, dem OmcF und OmcZ, [10,11] bekannt sind. In diesem Zusammenhang können spektroskopische Methoden, die in situ bei Biofilmen eingesetzt werden können, helfen, Strukturinformationen über die am DET beteiligte OMCs zu gewinnen.Hier stellen wir erstmals eine spektroskopische In-situCharakterisierung von OMCs in einem intakten, katalytisch aktiven Biofilm vor. Im Unterschied zu früheren Studien an resuspendierten Zellen gelang hier erstmals eine In-situ-Untersuchung der elektrochemischen und spektroskopischen Eigenschaften unter natürlichen Bedingungen, die zu einem realistischeren Bild des Elektronentransfers führte.Dazu wurden die oberflächenverstärkten ResonanzRaman(SERR)-Spektroskopie und die Cyclovoltammetrie (CV) eingesetzt. Mithilfe der SERR-Spektroskopie, die den molekularen Resonanz-Raman-Effekt und den oberflächen-verstärkten Raman-Effekt kombiniert, ist es möglich, ausschließlich die Hämgruppen von Biofilm-Proteinen nahe der Elektrodenoberfläche zu untersuchen. [13,14] Diese Technik erlaubt Rückschlüsse auf den Redox-, Koordinations-und Spinzustand sowie auf die Art der axialen Liganden des Häm-Eisens und liefert, bei elektrochemischer Kontrolle der experimentellen Bedingungen, Strukturinformationen, die die rein elektrochemischen Daten aus CV-Experimenten ergän-zen. [15,16] Gezüchtet wurden die Biofilme auf einer aufgerauten (d. h. SER-aktiven) Silberelektrode bei konstant angelegtem Potential mit 10 mm Acetat als Substrat (siehe Hintergrundin...

Unraveling the Interfacial Electron Transfer Dynamics of Electroactive Microbial Biofilms Using Surface‐Enhanced Raman Spectroscopy

“…E 1/2 can be considered as the apparent equilibrium potential of sc-OMCs, representing the average of the macroscopic redox potentials of the individual OMCs that are centered at À280 and À360 mV ( Figure S1). [10] Furthermore, there were no time-dependent changes of the overall SERR intensity during the potential step experiments, which implied that the arrangement of the sc-OMCs with respect to the electrode remained unchanged ( Figure S2). The TR-SERR spectra did not reveal any indications of the involvement of intermediate states other than the ferric and the ferrous forms in their native bis-histidine ligated, six-coordinated, low-spin configurations that were already assigned to a mixed-culture-derived electroactive biofilm.…”

“…[10] Furthermore, there were no time-dependent changes of the overall SERR intensity during the potential step experiments, which implied that the arrangement of the sc-OMCs with respect to the electrode remained unchanged ( Figure S2). [10,17] The relaxation constant k relax = (0.06 AE 0.04) s À1 , obtained from the fitting of a single exponential function to the data, refers to the het-erogeneous ET with zero-driving force (h = 0 mV). [15,16] The spectra obtained at different delay times were subsequently subjected to a component analysis to extract the relative contributions of oxidized and reduced sc-OMCs, expressed as the molar fractions X Ox and X Red , respectively.…”

“…[10] To explore the ET dynamics of the sc-OMCs, a potential step is applied from E i = À450 to E f = À320 mV [vs. Ag/AgCl (3.0 m KCl) reference electrode] to trigger the transition from a largely reduced state of the sc-OMCs (E i ) to a state of equal contributions of ferric and ferrous hemes (E f = E 1/2 ) via ET from the sc-OMCs to the electrode. [10] To explore the ET dynamics of the sc-OMCs, a potential step is applied from E i = À450 to E f = À320 mV [vs. Ag/AgCl (3.0 m KCl) reference electrode] to trigger the transition from a largely reduced state of the sc-OMCs (E i ) to a state of equal contributions of ferric and ferrous hemes (E f = E 1/2 ) via ET from the sc-OMCs to the electrode.…”

“…[7,8] These shortcomings are mainly attributable to the lack of ap-propriate analytical methods for investigating the underlying ET reactions in situ, that is, on living electrocatalytic microbial biofilms. [10] The selectivity of the spectroscopic approach originates from the near-field enhancement of the resonance Raman (RR) scattering of the heme groups that are in close vicinity (< 7 nm) [11] to the Ag working electrode. We have applied a spectroelectrochemical approach to gain insight into the kinetics of the ET that is selective for the biofilm/electrode interface.…”

“…Whereas electrochemistry allows the monitoring and control of electrocatalytic activity and the redox processes of the biofilm in toto, spectroelectrochemistry based on surface-enhanced resonance Raman (SERR) spectroscopy exclusively probes the heme groups of the surface-confined OMCs (sc-OMCs) and their redox processes at the interface of the biofilm and the Ag electrode. [10] The selectivity of the spectroscopic approach originates from the near-field enhancement of the resonance Raman (RR) scattering of the heme groups that are in close vicinity (< 7 nm) [11] to the Ag working electrode. In contrast to other spectroelectrochemical approaches based on UV/Vis spectroscopy that probe all of the heme groups across the entire biofilm (i.e., the outer membrane and the periplasmic cytochromes over a distance of tens of micrometers); [12] cytochromes other than sc-OMCs, that is, cytochromes more distant from the electrode and periplasmic cytochromes, do not contribute to the SERR spectra.…”