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MESSAI · KI für mikrobielle elektrochemische Systeme · © 2026

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Forschungsdaten – Titel und Zusammenfassungen von Publikationen, extrahierte Daten und Katalogeinträge – erscheinen in ihrer Originalsprache Englisch.

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Bioelectrochemical Fixation of Nitrogen to Extracellular Ammonium by Pseudomonas stutzeri

Shanshan Chen, Xianyue Jing, Yongliang Yan, Shaofu Huang +3

Applied and Environmental Microbiology·2020·67 Zitationen·doi.org/10.1128/aem.01998-20
KI-angereichert· 92 %Quell-PDF

KI-Zusammenfassung

92 % Konfidenz

This study demonstrates bioelectrochemical nitrogen fixation (e-BNF) by Pseudomonas stutzeri A1501 producing extracellular ammonium without chemical inhibitors or precious metal catalysts. The organism utilizes an electrode as the sole electron donor, with phenazine-1-carboxylic acid serving as an endogenous electron shuttle mediating electron transfer from the electrode to drive N₂ fixation. The system achieved 2.32 mg/L extracellular NH₄⁺ at -0.3 V (SHE) with 20% faradaic efficiency, 2–4 times higher than previous H₂-mediated approaches, offering a sustainable alternative for nitrogen fertilization.

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Zusammenfassung

Diazotrophs can produce bioavailable nitrogen from inert N 2 gas by bioelectrochemical nitrogen fixation ( e -BNF), which is emerging as an energy-saving and highly selective strategy for agriculture and industry. However, current e -BNF technology is impeded by requirements for NH 4 + assimilation inhibitors to facilitate intracellular ammonia secretion and precious metal catalysts to generate H 2 as the energy-carrying intermediate. Here, we initially demonstrate inhibitor- and catalystless extracellular NH 4 + production by the diazotroph Pseudomonas stutzeri A1501 using an electrode as the sole electron donor. Multiple lines of evidence revealed that P. stutzeri produced 2.32 ± 0.25 mg/liter extracellular NH 4 + at a poised potential of -0.3 V (versus standard hydrogen electrode [SHE]) without the addition of inhibitors or expensive catalysts. The electron uptake mechanism was attributed to the endogenous electron shuttle phenazine-1-carboxylic acid, which was excreted by P. stutzeri and mediated electron transfer from electrodes into cells to directly drive N 2 fixation. The faradaic efficiency was 20% ± 3%, which was 2 to 4 times that of previous e -BNF attempts using the H 2 -mediated pathway. This study reports a diazotroph capable of producing secretable NH 4 + via extracellular electron uptake, which has important implications for optimizing the performance of e -BNF systems and exploring the novel nitrogen-fixing mode of syntrophic microbial communities in the natural environment. IMPORTANCE Ammonia greatly affects global ecology, agriculture, and the food industry. Diazotrophs with an enhanced capacity of extracellular NH 4 + excretion have been proven to be more beneficial to the growth of microalgae and plants, whereas most previously reported diazotrophs produce intracellular organic nitrogen in the absence of chemical suppression and genetic manipulation. Here, we demonstrate that Pseudomonas stutzeri A1501 is capable of extracellular NH 4 + production without chemical suppression or genetic manipulation when the extracellular electrode is used as the sole electron donor. We also reveal the electron uptake pathway from the extracellular electron-donating partner to P. stutzeri A1501 via redox electron shuttle phenazines. Since both P. stutzeri A1501 and potential electron-donating partners (such as electroactive microbes and natural semiconductor minerals) are abundant in diverse soils and sediments, P. stutzeri A1501 has broader implications on the improvement of nitrogen fertilization in the natural environment.

Schlagwörter

Pseudomonas stutzeriDiazotrophExtracellularNitrogen fixationElectron transport chainEnvironmental chemistry

Kennungen

DOI
10.1128/aem.01998-20
PubMed
33310714
Zeitschrift
Applied and Environmental Microbiology
Jahr
2020
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