污染物降解与转化中微生物电子传递蛋白复合纳米材料的调控机制

The degradation and conversion of toxic and hazardous pollutants in wastewater requires high efficient chemical and biological methods. The composition of the biologic-inorganic systems formed by the microbial protein and nanomaterials play important roles in the degradation of contaminants. But the underlying interaction mechanism between the protein and the inorganic material remains unclear. This proposal intends to reveal the tuning mechanisms of the composite system in the pollutant degradation and conversion. The interaction mechanism between outer-membrane protein of electrochemically active microorganism and carbon nanomaterials/metal oxide could be investigated. The influence of the structural characteristic and functional groups of nanomaterial on the electron transfer capability of the protein can be analyzed to reveal the electron transfer mechanism between composite system and pollutant molecules. The redox-active center stacking and amino acid ligands would also have impact on the electrochemical activity. The molecular modeling can be applied to obtain the thermodynamics and kinetics properties, reveal the microscopic configuration of electron transfer protein and nanomaterials, and clarify the tuning mechanism of electron flow in pollutant degradation and conversion. Then the electrochemical and spectroscopic experiments will be conducted to prove the theoretical explanation and predictions of the acceleration and regulation mechanisms of the composites. This proposal is beneficial to designing highly-efficient hybrid systems to promote pollutant degradation and conversion into resource, and provide opportunities to enhance the application of microorganisms and nanotechnology in the field of environmental remediation.

废水中广泛存在的有毒有害污染物需要通过高效的化学和生物方法降解和转化，微生物蛋白与纳米材料结合形成的生物-无机体系能够在污染物降解中发挥重要的作用，但其中蛋白与无机材料之间的相互作用方式仍然不清晰。本项目拟对微生物蛋白复合无机纳米材料在污染物降解中的调控机制进行解析，深入剖析电活性微生物的电子转移蛋白/纳米碳材料或金属氧化物与污染物分子的相互作用方式及电子转移调控机制。分析不同结构的纳米材料对电子转移蛋白的影响，探讨蛋白氧化还原活性中心堆叠方式与氨基酸配体分子对电子传递体系的作用，获得反应过程中的热力学和动力学性质；揭示电子传递蛋白与无机纳米材料相互作用的微观构型，阐明电子传递路径的调控机制。通过电化学测试与光谱分析证明预测的复合材料能够加速和调控电子转移、提高污染物的降解和转化效率。期望通过本项目的研究，促进微生物与纳米技术在环境修复领域的应用。

废水中广泛存在的有毒有害污染物可以被一大类胞外呼吸微生物，即电化学活性微生物(EAMs)所利用，并实现废弃物的能源化转化。在该过程中，微生物电子传递链中的功能蛋白发挥了重要作用，而转化效率则受到了生物-无机界面电子传递速率的限制。本研究工作以提高微生物胞外电子转移速率及生物电化学系统(BES)的能量转换效率为目标，阐明了外膜蛋白细胞色素c (OmcA)与氧化石墨烯(GO)之间的相互作用机制和直接电子传递过程，显示电子转移动力学过程服从Michaelis-Menten方程并表现出酶催化的特征，发现了OmcA氨基酸残基与GO之间的氢键作用，缩短了电子转移距离，实现了电子流动速率的提高；除了直接电子转移以外，间接电子转移在BES中也具有重要作用。因此，设计了一款同时适用于紫外可见和荧光光谱电化学方法的检测装置，实现了外膜蛋白活性中心Hemin(III)与媒介分子核黄素电子转移过程中结构变化的实时跟踪，揭示了两者协同进行质子耦合电子转移的过程；基于此，利用核黄素异咯嗪三元环与石墨烯平面的共轭作用，以及其柔性核糖醇侧链的亲水性，充分耦合间接电子转移及直接电子转移的优势，将表面修饰了核黄素的石墨烯(VB2/rGO)作为微生物膜生长基底，在体系中形成了外膜蛋白/核黄素/石墨烯的框架结构，有效地提高了BES的能量转换效率和稳定性。结果显示VB2/rGO玻碳电极的电化学活性比不修饰的玻碳阳极高200%，复合电极的电流密度达到峰值后可持续113 h，显著提高了BES的阳极性能，促进了污染物的能源化转化。氧化还原媒介有机小分子在电化学活性蛋白与无机材料电极之间的“分子桥梁”作用，加速了电子穿梭，改进了电极材料的生物相容性，促进生物膜生长，提高了能量转换效率。这些结果有助于从分子水平上理解促使废弃物能源化的胞外电子转移机制，有助于实现微生物与环境中不同电子受体之间界面反应的调控，在以后的研究中，可以在外膜蛋白与电极之间加入多种不同的媒介分子，从而形成氧化还原电势梯度，降低界面电子转移的能量损耗，进一步提升胞外电子转移的能量转换效率。