ABSTRACT Previous studies have suggested that members of the Geobacteraceae can use electrodes as electron acceptors for anaerobic respiration. In order to better understand this electron transfer process for energy production, Geobacter sulfurreducens was inoculated into chambers in which a graphite electrode served as the sole electron acceptor and acetate or hydrogen was the electron donor. The electron-accepting electrodes were maintained at oxidizing potentials by connecting them to similar electrodes in oxygenated medium (fuel cells) or to potentiostats that poised electrodes at +0.2 V versus an Ag/AgCl reference electrode (poised potential). When a small inoculum of G. sulfurreducens was introduced into electrode-containing chambers, electrical current production was dependent upon oxidation of acetate to carbon dioxide and increased exponentially, indicating for the first time that electrode reduction supported the growth of this organism. When the medium was replaced with an anaerobic buffer lacking nutrients required for growth, acetate-dependent electrical current production was unaffected and cells attached to these electrodes continued to generate electrical current for weeks. This represents the first report of microbial electricity production solely by cells attached to an electrode. Electrode-attached cells completely oxidized acetate to levels below detection (<10 μM), and hydrogen was metabolized to a threshold of 3 Pa. The rates of electron transfer to electrodes (0.21 to 1.2 μmol of electrons/mg of protein/min) were similar to those observed for respiration with Fe(III) citrate as the electron acceptor (E o ′ =+0.37 V). The production of current in microbial fuel cell (65 mA/m 2 of electrode surface) or poised-potential (163 to 1,143 mA/m 2 ) mode was greater than what has been reported for other microbial systems, even those that employed higher cell densities and electron-shuttling compounds. Since acetate was completely oxidized, the efficiency of conversion of organic electron donor to electricity was significantly higher than in previously described microbial fuel cells. These results suggest that the effectiveness of microbial fuel cells can be increased with organisms such as G. sulfurreducens that can attach to electrodes and remain viable for long periods of time while completely oxidizing organic substrates with quantitative transfer of electrons to an electrode.

Bacteria able to transfer electrons to metals are key agents in biogeochemical metal cycling, subsurface bioremediation, and corrosion processes. More recently, these bacteria have gained attention as the transfer of electrons from the cell surface to conductive materials can be used in multiple applications. In this work, we adapted electrochemical techniques to probe intact biofilms of Shewanella oneidensis MR-1 and Shewanella sp. MR-4 grown by using a poised electrode as an electron acceptor. This approach detected redox-active molecules within biofilms, which were involved in electron transfer to the electrode. A combination of methods identified a mixture of riboflavin and riboflavin-5'-phosphate in supernatants from biofilm reactors, with riboflavin representing the dominant component during sustained incubations (>72 h). Removal of riboflavin from biofilms reduced the rate of electron transfer to electrodes by >70%, consistent with a role as a soluble redox shuttle carrying electrons from the cell surface to external acceptors. Differential pulse voltammetry and cyclic voltammetry revealed a layer of flavins adsorbed to electrodes, even after soluble components were removed, especially in older biofilms. Riboflavin adsorbed quickly to other surfaces of geochemical interest, such as Fe(III) and Mn(IV) oxy(hydr)oxides. This in situ demonstration of flavin production, and sequestration at surfaces, requires the paradigm of soluble redox shuttles in geochemistry to be adjusted to include binding and modification of surfaces. Moreover, the known ability of isoalloxazine rings to act as metal chelators, along with their electron shuttling capacity, suggests that extracellular respiration of minerals by Shewanella is more complex than originally conceived.

Energy in the form of electricity can be harvested from marine sediments by placing a graphite electrode (the anode) in the anoxic zone and connecting it to a graphite cathode in the overlying aerobic water. We report a specific enrichment of microorganisms of the family Geobacteraceae on energy-harvesting anodes, and we show that these microorganisms can conserve energy to support their growth by oxidizing organic compounds with an electrode serving as the sole electron acceptor. This finding not only provides a method for extracting energy from organic matter, but also suggests a strategy for promoting the bioremediation of organic contaminants in subsurface environments.

Summary It has been demonstrated previously that Geobacter species can transfer electrons directly to electrodes. In order to determine whether electrodes could serve as electron donors for microbial respiration, enrichment cultures were established from a sediment inoculum with a potentiostat‐poised graphite electrode as the sole electron donor and nitrate as the electron acceptor. Nitrate was reduced to nitrite with the consumption of electrical current. The stoichiometry of electron and nitrate consumption and nitrite accumulation were consistent with the electrode serving as the sole electron donor for nitrate reduction. Analysis of 16 rRNA gene sequences demonstrated that the electrodes supplied with current were specifically enriched in microorganisms with sequences most closely related to the sequences of known Geobacter species. A pure culture of Geobacter metallireducens was shown to reduce nitrate to nitrite with the electrode as the sole electron donor with the expected stoichiometry of electron consumption. Cells attached to the electrode appeared to be responsible for the nitrate reduction. Attached cells of Geobacter sulfurreducens reduced fumarate to succinate with the electrode as an electron donor. These results demonstrate for the first time that electrodes may serve as a direct electron donor for anaerobic respiration. This finding has implications for the harvesting of electricity from anaerobic sediments and the bioremediation of oxidized contaminants.

ABSTRACT While electrochemical characterization of enzymes immobilized on electrodes has become common, there is still a need for reliable quantitative methods for study of electron transfer between living cells and conductive surfaces. This work describes growth of thin (<20 μm) Geobacter sulfurreducens biofilms on polished glassy carbon electrodes, using stirred three-electrode anaerobic bioreactors controlled by potentiostats and nondestructive voltammetry techniques for characterization of viable biofilms. Routine in vivo analysis of electron transfer between bacterial cells and electrodes was performed, providing insight into the main redox-active species participating in electron transfer to electrodes. At low scan rates, cyclic voltammetry revealed catalytic electron transfer between cells and the electrode, similar to what has been observed for pure enzymes attached to electrodes under continuous turnover conditions. Differential pulse voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy also revealed features that were consistent with electron transfer being mediated by an adsorbed catalyst. Multiple redox-active species were detected, revealing complexity at the outer surfaces of this bacterium. These techniques provide the basis for cataloging quantifiable, defined electron transfer phenotypes as a function of potential, electrode material, growth phase, and culture conditions and provide a framework for comparisons with other species or communities.

ABSTRACT The Mtr respiratory pathway of Shewanella oneidensis strain MR-1 is required to effectively respire both soluble and insoluble forms of oxidized iron. Flavins (riboflavin and flavin mononucleotide) recently have been shown to be excreted by MR-1 and facilitate the reduction of insoluble substrates. Other Shewanella species tested accumulated flavins in supernatants to an extent similar to that of MR-1, suggesting that flavin secretion is a general trait of the species. External flavins have been proposed to act as both a soluble electron shuttle and a metal chelator; however, at biologically relevant concentrations, our results suggest that external flavins primarily act as electron shuttles for MR-1. Using deletion mutants lacking various Mtr-associated proteins, we demonstrate that the Mtr extracellular respiratory pathway is essential for the reduction of flavins and that decaheme cytochromes found on the outer surface of the cell (MtrC and OmcA) are required for the majority of this activity. Given the involvement of external flavins in the reduction of electrodes, we monitored current production by Mtr respiratory pathway mutants in three-electrode bioreactors under controlled flavin concentrations. While mutants lacking MtrC were able to reduce flavins at 50% of the rate of the wild type in cell suspension assays, these strains were unable to grow into productive electrode-reducing biofilms. The analysis of mutants lacking OmcA suggests a role for this protein in both electron transfer to electrodes and attachment to surfaces. The parallel phenotypes of Mtr mutants in flavin and electrode reduction blur the distinction between direct contact and the redox shuttling strategies of insoluble substrate reduction by MR-1.

ABSTRACT Desulfobulbus propionicus was able to grow with Fe(III), the humic acids analog anthraquinone-2,6-disulfonate (AQDS), or a graphite electrode as an electron acceptor. These results provide an explanation for the enrichment of Desulfobulbaceae species on the surface of electrodes harvesting electricity from anaerobic marine sediments and further expand the diversity of microorganisms known to have the ability to use both sulfate and Fe(III) as an electron acceptor.

Bioelectrochemical systems rely on microorganisms to link complex oxidation/reduction reactions to electrodes. For example, in Shewanella oneidensis strain MR-1, an electron transfer conduit consisting of cytochromes and structural proteins, known as the Mtr respiratory pathway, catalyzes electron flow from cytoplasmic oxidative reactions to electrodes. Reversing this electron flow to drive microbial reductive metabolism offers a possible route for electrosynthesis of high value fuels and chemicals. We examined electron flow from electrodes into Shewanella to determine the feasibility of this process, the molecular components of reductive electron flow, and what driving forces were required. Addition of fumarate to a film of S. oneidensis adhering to a graphite electrode poised at −0.36 V versus standard hydrogen electrode (SHE) immediately led to electron uptake, while a mutant lacking the periplasmic fumarate reductase FccA was unable to utilize electrodes for fumarate reduction. Deletion of the gene encoding the outer membrane cytochrome-anchoring protein MtrB eliminated 88% of fumarate reduction. A mutant lacking the periplasmic cytochrome MtrA demonstrated more severe defects. Surprisingly, disruption of menC, which prevents menaquinone biosynthesis, eliminated 85% of electron flux. Deletion of the gene encoding the quinone-linked cytochrome CymA had a similar negative effect, which showed that electrons primarily flowed from outer membrane cytochromes into the quinone pool, and back to periplasmic FccA. Soluble redox mediators only partially restored electron transfer in mutants, suggesting that soluble shuttles could not replace periplasmic protein-protein interactions. This work demonstrates that the Mtr pathway can power reductive reactions, shows this conduit is functionally reversible, and provides new evidence for distinct CymA:MtrA and CymA:FccA respiratory units.