聚核黄素修饰电极界面增强希瓦氏菌双向胞外电子传递及其初步应用研究

发布时间：2020-06-08 21:22

【摘要】：近年来,基于微生物胞外电子传递(Extracellular electron transfer,EET)的多种微生物电化学技术作为一类可再生能源转化和环境污染物修复平台备受国内外关注,但是它们现阶段的性能尚不能满足实际应用要求。电活性微生物与电极间较慢的EET过程是限制微生物电化学技术性能提升的关键因素,因此如何提高电极界面上微生物EET速率是一个至关重要的科学问题。核黄素(Riboflavin,RF)是典型电活性微生物希瓦氏菌属产生的一种内源性电子介体,在希瓦氏菌甚至多种其他电活性菌的EET过程扮演十分重要的角色,利用它对微生物电极表面进行改性修饰有望提高电活性微生物与电极间电子交换速率,从而促进微生物电化学技术在能源再生、生物转化和污染物处理领域的发展与应用。本论文发展了一种核黄素固定化修饰微生物电极的电化学聚合方法,并以腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens CN32)作为模式菌株,系统研究了所制备的聚核黄素(Polyriboflavin,PRF)修饰电极界面增强希瓦氏菌双向EET的作用及机制,探究了其应用于微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)阳极产电、微生物阴极生物转化和重金属还原方面的前景。主要研究内容与结果如下:1.以传统碳布(Carbon cloth,CC)为基底电极,采用循环伏安法将核黄素电聚合于CC电极上进行表面修饰,通过傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱和电化学对修饰电极进行表征和确证,表明其是一种有效的电极表面改性修饰方法。将所制备的聚核黄素修饰碳布电极(PRF@CC)应用于MFC阳极,其功率输出密度比裸CC电极提高了约4.3倍;应用于微生物阴极还原富马酸时,其电流密度增加了约3.7倍,表明聚核黄素修饰的电极界面可显著提高S.putrefaciens CN32双向EET速率和生物电催化能力。通过对比S.putrefaciens CN32的野生株与外膜色素蛋白(MtrC/UndA)基因缺失株,发现聚核黄素界面不仅可以作为电子介体增强间接电子传递,还能通过与外膜色素蛋白互作提高直接电子传递能力。聚核黄素修饰的电极界面除了可以增强希瓦氏菌EET外,同样可以在不同程度上增强其他多种电活性微生物EET速率,因而具有一定的普适性。2.鉴于常规CC电极的电化学活性较弱,在采用计时电流法制备了高电化学活性的石墨烯/碳布电极(G/CC)的基础上,进一步证明聚核黄素界面增强希瓦氏菌双向EET的作用。研究结果表明,尽管石墨烯修饰后明显增强了S.putrefaciens CN32在G/CC电极上的双向EET能力(阳极产电和阴极还原富马酸),但是采用聚核黄素对G/CC电极进行表面改性修饰后,仍然进一步将S.putrefaciens CN32在电极上的EET速率显著性地提高,表明聚核黄素修饰微生物界面是一种增强微生物EET能力和生物电催化效率的可靠途径。3.以典型重金属离子六价铬(Cr(VI))为目标污染物,在考察了Cr(VI)对S.putrefaciens CN32生长的抑制作用后,初步研究了聚核黄素修饰电极界面对希瓦氏菌阴极还原Cr(VI)的影响。研究结果表明,Cr(VI)对S.putrefaciens CN32的生长存在较明显的抑制作用且抑制强度与浓度相关;较负的电极电位有利于希瓦氏菌阴极还原Cr(VI)速率提高,聚核黄素修饰的G/CC电极的应用可增强希瓦氏菌对Cr(VI)的生物电化学还原能力。总之,本文系统研究了聚核黄素修饰的电极界面对希瓦氏菌双向EET的增强作用及其机制,并初步考察了聚核黄素修饰电极促进希瓦氏菌生物电化学体系应用于可再生能源(MFC产电)、生物电化学转化(富马酸还原)和重金属离子(Cr(VI))修复中的应用前景,有利于促进微生物电化学技术的发展及应用。
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微生物燃料电池,情况,电子传递

近 18 年来被“Web of Science”收录的关于微生物燃料电池的文章数量 1-1 The number variation of research articles indexed in “Web of Science”生物燃料电池构造与工作原理微生物燃料电池是由质子交换膜隔开的阳极室和阴极室组成[5电微生物处于厌氧的生长环境中，，通过胞内代谢将营养物质如酸钠等氧化生成二氧化碳或其他低碳物质、质子的同时产生的胞内电子，一部分用于微生物自身生长和繁殖所需要的还原过特定的电子传递途径传递（被称为“胞外电子传递途径”）至，阳极通过外接电路将所获得的电子传递至阴极，从而形成电流中充当催化剂通过氧化有机底物将有机物的化学能转化为电能产生的质子通过质子交换膜（通常是 Nafion 膜）从阳极室转极室中，电子、质子和氧气在催化剂的作用下结合生成了水。1-2 所示。见，微生物燃料电池与化学燃料电池的工作原理类似，微生物

微生物燃料电池,双室,结构示意图,电化学活性

图 1-2 典型双室微生物燃料电池结构示意图Fig. 1-2 Schematic diagram of the structure of dual-chamber MFC活性微生物及其胞外电子传递机制电活性微生物及其种类有胞外电子传递能力的微生物被称为电活性微生物或电化学活性trochemically active microorganisms，EAMs）。EAMs 种类十分丰细菌、真核酵母和蓝藻等[6]。研究最多、理解最深入的 EAMs 为异，包括地杆菌属（Geobacter spp.）和希瓦氏菌属（Shewanella sppobacter sulfurreducens 和 Shewanella oneidensis MR-1 通常作为包各种微生物电化学体系研究的模式菌株[7]。1999 年，Kim 等[8]从稻离鉴定出具有电化学活性的 Shewanella putrefaciens IR-1。Park的阳极微生物群落中分离出一株具有电化学活性的革兰氏阳idium butyricum EG3。目前，已被分离和鉴定的电化学活性细菌超过们主要分布于变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicute
【学位授予单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q937

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