生物电化学系统电活性生物膜胞外聚合物电子传递功能的原位研究

Electroactive biofilms, a new type of microbial aggregates, are capable of extracellularlly transferring electrons. Bioelectrochemical systems based on the electroactive biofilms have shown great potential applications in wastewater treatment and resource. Extracellular polymeric substances (EPS) are important components of the biofilms, which play important roles in maintain biofilm structure and protect biofilms. However, less attention has been paid to the electron transfer ability of the EPS in the electroactive biofilms. In this project, we will use Geobacter and mixed culture biofilms as the models to explore the effects of various conditions (externally applied potential, susbtrates and carbon sources) on the formation and compostion of EPS in the electroactive biofilms. Moreover, we will construct several photoelectrochemical spectroscopies combined with confocal laser scanning microscope and ex-situ analysis to in-situ probe the composition, structure and distribution of the EPS in the electroactive biofilms. We will investigate the relationship between the struture properties of the EPS and the extracellular electron transfer efficiency of the biofilms. Finally, we hope that the results of this project can provide new insight into understanding the extracellular electron transfer mecahnism of the electroactive biofilms, and also offer theoretical foundation for the practical application of electroactive biofilms.

电活性生物膜是具有胞外电子传递功能的新型微生物聚集体，基于电活性生物膜的生物电化学系统展现了在污水处理与资源化应用的巨大潜力。胞外多聚物（EPS）是生物膜的重要组分，但前期研究主要关注EPS维持生物膜结构和保护膜内微生物的功能，而对EPS在电活性生物膜中的电子传递功能少有关注。本项目将以Geobacter与混菌电活性生物膜为模型，研究外加电压、载体和碳源浓度等对电活性生物膜EPS形成动态、结构特征及电子转移能力的影响，利用电化学-光谱联用结合荧光激光共聚焦和非原位分析技术，原位探索电活性生物膜EPS的组分、结构特征及空间分布规律，明确EPS结构与生物膜电子传递效率之间的响应关系，揭示EPS介导生物膜胞外电子传递的微观机制，为理解电活性生物膜电子传递机制提供新的认知，为电活性生物膜的实际应用提供理论基础。

本项目以地杆菌与混菌电活性生物膜为模型，系统研究了电活性生物膜在不同载体上、不同外加电位及其他影响条件下的形成过程和胞外电子传递特性，提出了利用光、磁等方式可以加速和强化电活性生物膜胞外电子传递过程；利用红外和2D-COS技术重点研究了不同电位下电活性生物膜EPS的结构特征和保护生物膜的机制，发现了0 V下形成的电活性生物膜具有更优的EPS结构，能够更好地保护生物膜应对银离子的急性刺激；构建了红外-电化学光谱联用原位分析腐殖质电子转移过程的技术，发现了固态腐殖质的醌类基团是主要电子传递基团；此外，重点构建了基于表面增强的拉曼光谱分析EPS电子传递功能的方法，开发了基于银和镍纳米颗粒的双功能拉曼增强基质，实现了EPS电子传递功能的拉曼表征。在此基础上，利用正电荷纳米银基质原位与带负电荷的电活性生物膜EPS进行自组装，实现了生物膜EPS结构和电子传递功能的原位表征。本项目的成果为理解电活性生物膜电子传递机制提供新的认识，为电活性生物膜的实际应用提供理论基础。本项目实际完成SCI论文12篇，培养博士后2名、硕士研究生3名、在读博士研究生1名，申请发明专利2件，已获授权1件，圆满完成了预期任务。