基于納米結(jié)構(gòu)陽極的腐敗希瓦氏菌胞外電子傳遞機(jī)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(jī)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(jī)物甚至部分無機(jī)物氧化而產(chǎn)生能量，因而它是一種可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢物或污染物降解并同時(shí)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(dòng)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(qiáng)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(duì)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(duì)

3、于合理定向設(shè)計(jì)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(duì) S. putrefaciens CN32陽極產(chǎn)電能力和胞外電子傳遞效率的增強(qiáng)作用，并通過分子生物學(xué)方法研究S. putrefaciens CN32細(xì)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(jī)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(shí)，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(jìn)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(yán)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(duì)陽極生物電催化具有獨(dú)特的協(xié)同增強(qiáng)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(jìn)了大量的S.putrefaciens CN32細(xì)胞在納米復(fù)合物表面粘附生長。S.putrefaciens CN32細(xì)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(xì)胞與納米復(fù)合陽極間快速的直接電化學(xué)過程。這種獨(dú)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(shí)的MFC最大輸出功率密度為540 mW m-2，分別是單獨(dú)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(duì)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(dú)的MWCNT和 rGO，MWCNT@rGO1:2納米復(fù)合陽極同時(shí)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(xì)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(dú)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(xì)菌而不是陽極液中游離細(xì)菌，因此說陽極生物膜對(duì)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(qiáng)了陽極生物電催化性能。
　　3.制備細(xì)菌可利用的大孔結(jié)構(gòu)的MFC陽極材料來增加產(chǎn)電細(xì)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(shí)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(shí)，納米孔結(jié)構(gòu)對(duì)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(gè)問題，通過在惰性氣氛中高溫碳化生物質(zhì)材料—細(xì)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(jí)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(xì)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(qiáng)，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(qiáng)電子介體直接電化學(xué)的獨(dú)特機(jī)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)電活性氮原子的同時(shí)吸附和反應(yīng)，即實(shí)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(shí)的最大平臺(tái)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(duì)其胞外電子傳遞的作用，采用框內(nèi)缺失法對(duì)mtrC和undA基因進(jìn)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(shí)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(duì)S.putrefaciens CN32的有氧代謝的影響不顯著。在MFC運(yùn)行條件下，對(duì)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(huì)降低S.putrefaciens CN32的產(chǎn)電能力和MFC啟動(dòng)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(shí)時(shí)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(jìn)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(duì)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(duì)比野生株和?mtrC缺失株對(duì)甲基橙脫色效果的差異進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。