基于納米結(jié)構(gòu)陽極的腐敗希瓦氏菌胞外電子傳遞機理研究.pdf

1、微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）是一種以微生物作為催化劑將有機物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可輸出電能的裝置，它是將微生物氧化代謝和電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合的新興能源系統(tǒng)。MFC以可自我再生的微生物替代了傳統(tǒng)化學(xué)燃料電池的貴金屬催化劑，并且微生物種類繁多、代謝途徑豐富且易調(diào)控，理論上能夠催化所有有機物甚至部分無機物氧化而產(chǎn)生能量，因而它是一種可以實現(xiàn)有機廢物或污染物降解并同時產(chǎn)生清潔電能的技術(shù)，在污水處理、生態(tài)修復(fù)和便攜式能源

2、等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景?，F(xiàn)階段，MFC性能如低功率輸出密度較低、啟動速度慢和制造成本較高等限制了其商業(yè)化應(yīng)用，其中MFC陽極生物電催化性能是主要的限制因素之一，然而它又在很大程度上受限于陽極產(chǎn)電菌與電極間的電子傳遞即胞外電子傳遞效率。具有高生物相容性的納米結(jié)構(gòu)陽極通常能夠顯著地增強MFC陽極生物電催化效率，但是納米結(jié)構(gòu)陽極的表面性質(zhì)和孔結(jié)構(gòu)等因素對產(chǎn)電菌胞外電子傳遞效率的影響以及產(chǎn)電菌自身在納米結(jié)構(gòu)界面的電化學(xué)行為尚不完全清楚，而這對

3、于合理定向設(shè)計高性能的納米結(jié)構(gòu)陽極材料是具有指導(dǎo)性意義的。
　　本研究以腐敗希瓦氏菌CN32（Shewanellaputrefaciens CN32）為產(chǎn)電菌株，通過制備三種不同納米結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的陽極材料，研究它們對 S. putrefaciens CN32陽極產(chǎn)電能力和胞外電子傳遞效率的增強作用，并通過分子生物學(xué)方法研究S. putrefaciens CN32細胞輸出胞外電子的途徑，從胞外電子傳遞所涉及的產(chǎn)電菌株和電極材料兩方

4、面系統(tǒng)地研究MFC陽極胞外電子傳遞機制。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1.以傳統(tǒng)碳布作為雙室MFC陽極時，本研究所采用S.putrefaciens CN32菌株的產(chǎn)電能力明顯高于常用模式菌株S.oneidensis MR-1，并且S.putrefaciens CN32菌株利用黃素類電子介體提高陽極生物電催化的能力也顯著高于S.oneidensis MR-1。為了促進S.putrefaciens CN32自分泌黃素類電子介體從而提高

5、陽極生物電催化性能，采用溶膠－凝膠法和水熱還原法合成了二氧化鈦/還原氧化石墨烯（TiO2/rGO）納米復(fù)合陽極材料。在該復(fù)合材料中，微小的TiO2納米晶體均勻地生長在rGO片層上，有效地抑制了氧化石墨烯（GO）片層在水熱還原過程中發(fā)生嚴重聚集，增加了納米復(fù)合物的比表面積和介孔體積，并且明顯提高了納米復(fù)合物的親水性。TiO2/rGO納米復(fù)合物中TiO2納米晶體和rGO對陽極生物電催化具有獨特的協(xié)同增強作用：均勻生長的TiO2納米晶體提高了

6、rGO的比表面積和親水性從而促進了大量的S.putrefaciens CN32細胞在納米復(fù)合物表面粘附生長。S.putrefaciens CN32細胞在TiO2納米晶體的刺激下分泌更多的黃素類物質(zhì)從而提高電子介體的濃度，而rGO的高導(dǎo)電性又可以確保電子介體在S.putrefaciens CN32細胞與納米復(fù)合陽極間快速的直接電化學(xué)過程。這種獨特的協(xié)同作用顯著地加速了電子介體的直接電化學(xué)，降低了陽極界面電荷轉(zhuǎn)移電阻，從而使得TiO2/rG

7、O納米復(fù)合陽極在以LB培養(yǎng)基為陽極液底物時的MFC最大輸出功率密度為540 mW m-2，分別是單獨rGO和傳統(tǒng)碳布陽極的1.4倍和3.4倍。
　　2.為了分析生物膜對S. putrefaciens CN32 MFC陽極生物電催化的作用，采用一步水熱法和冷凍干燥技術(shù)制備了最常用的兩種MFC陽極納米碳材料—碳納米管（CNT）和石墨烯的多孔復(fù)合物，通過調(diào)控多壁碳納米管（MWCNT）和GO的比例獲得了具有最佳多層次孔結(jié)構(gòu)的MWCNT@r

8、GO1:2納米復(fù)合物，該復(fù)合物中適量的1D MWCNT不但有效抑制了GO在熱還原過程中發(fā)生片層間堆積而且作為紐帶增加了2D rGO片層間的多方向連接，所形成的碳質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)既提高了電化學(xué)活性面積又增加了電子傳遞通道和效率。因此，相比于單獨的MWCNT和 rGO，MWCNT@rGO1:2納米復(fù)合陽極同時增加了電容性電流和法拉第峰電流，并且顯著地降低了界面電荷轉(zhuǎn)移電阻。MWCNT@rGO1:2納米復(fù)合物優(yōu)越的3D多層次孔結(jié)構(gòu)和碳材料固有的高生

9、物相容性使得S.putrefaciens CN32細胞在其表面和內(nèi)部大量生長形成致密的生物膜，MWCNT@rGO1:2生物膜陽極在雙室 MFC中的最大輸出功率密度為789 mW m-2，顯著高于單獨的MWCNT和rGO陽極，是傳統(tǒng)碳布陽極的6倍。MWCNT@rGO1:2陽極電流的產(chǎn)生主要來源于陽極生物膜中的細菌而不是陽極液中游離細菌，因此說陽極生物膜對高效的S.putrefaciens CN32 MFC電流的產(chǎn)生是至關(guān)重要的。陽極生物膜

10、中高密度的S.putrefaciens CN32可以分泌更多的電子介體，在陽極界面局部區(qū)域富集高濃度的電子介體導(dǎo)致高效的電子介體直接電化學(xué)，從而顯著地增強了陽極生物電催化性能。
　　3.制備細菌可利用的大孔結(jié)構(gòu)的MFC陽極材料來增加產(chǎn)電細菌的載量是近年來的主流趨勢，眾所周知MFC陽極反應(yīng)同時涉及生物催化和電催化兩方面，但是在這些大孔結(jié)構(gòu)陽極獲得高效生物催化時，納米孔結(jié)構(gòu)對電催化尤其是電子介體直接電化學(xué)的影響一直被人們所忽視。為了探

11、究這個問題，通過在惰性氣氛中高溫碳化生物質(zhì)材料—細菌纖維素膜制備了3D碳納米纖維（CNF）氣凝膠，它是由碳納米纖維組成的，具有微米級大孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和天然的高生物相容性，因而在其表面和孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部均生長有大量的S.putrefaciens CN32細胞，從而獲得了非常高的生物催化劑的載量。通過改變碳化溫度巧妙地調(diào)控了CNF氣凝膠的納米孔結(jié)構(gòu)（<10 nm），隨著碳化溫度的升高，CNF氣凝膠中微孔逐漸轉(zhuǎn)化為介孔后，黃素類電子介體的直接電化學(xué)顯

12、著地增強，表明介孔結(jié)構(gòu)是高效的電子介體直接電化學(xué)所必需的。首次提出了介孔結(jié)構(gòu)增強電子介體直接電化學(xué)的獨特機制：介孔結(jié)構(gòu)不僅增加了電子介體可利用的表面積，而且介孔內(nèi)凹凸不平的表面以及適當(dāng)?shù)呐でY(jié)構(gòu)克服了RF和FMN分子的空間位阻從而實現(xiàn)兩個電活性氮原子的同時吸附和反應(yīng)，即實現(xiàn)兩電子轉(zhuǎn)移。富含介孔的CNF1000陽極在S.putrefaciens CN32 MFC中的最大功率輸出密度為1747 mW m-2，分別是CNT和碳布陽極的4倍和1

13、4倍，在外接電阻為1000?時的最大平臺電流輸出密度為3.9 A m-2，具有很好的穩(wěn)定性和重復(fù)使用性，在可持續(xù)操作方式的工業(yè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
　　4.為了研究S.putrefaciens CN32的外膜色素蛋白MtrC和UndA對其胞外電子傳遞的作用，采用框內(nèi)缺失法對mtrC和undA基因進行單基因和雙基因的無痕敲除，獲得了相應(yīng)的缺失突變株。野生株和缺失株在有氧條件下以乳酸作為單一碳源和電子供體時的代謝生長能力及其合成分

14、泌黃素類物質(zhì)的能力沒有差異，表明缺失色素蛋白MtrC和UndA對S.putrefaciens CN32的有氧代謝的影響不顯著。在MFC運行條件下，對比接種S.putrefaciens CN32野生株和不同缺失株的陽極產(chǎn)電能力發(fā)現(xiàn)缺失 mtrC或 undA基因均會降低S.putrefaciens CN32的產(chǎn)電能力和MFC啟動速度，缺失mtrC基因的降低作用顯著地大于缺失undA基因，表明色素蛋白MtrC在S.putrefaciens C

15、N32胞外電子傳遞中起著更為重要的作用。通過實時監(jiān)測陽極液中黃素類電子介體的濃度和比較添加外源核黃素促進陽極產(chǎn)電能力的效果，發(fā)現(xiàn)外膜色素蛋白MtrC是S.putrefaciens CN32胞外還原黃素類電子介體的關(guān)鍵終端酶，它是對S.putrefaciens CN32陽極高效生物電催化的主要作用是通過快速的電子介體直接電化學(xué)而不是直接將電子傳遞給電極，通過對比野生株和?mtrC缺失株對甲基橙脫色效果的差異進一步證實了這一結(jié)論。