基于胞外电子转移研究纳米材料与微生物的相互作用

胞外电子转移是微生物与外界环境物质相互作用的一种途径，人们也基于此开发了微生物燃料电池（MFC）技术。纳米材料在促进微生物胞外电子转移、提高MFC产电效率上已显示出优良特性。随着纳米材料应用的日益增多，本项目着眼于胞外电子转移过程，选择若干有工业应用前景的半导体纳米材料研究它们与微生物的相互作用。根据溶液中决定半导体载流子传输的表面参量（如平带电势、带边位置、表面位垒）易调的特性，通过改变纳米粒子与微生物氧化呼吸链中相关分子和酶的能级相对位置，控制纳米粒子与微生物间的电子交换，并采用电化学分析的手段，研究纳米粒子的化学组成、尺寸、表面修饰等对胞外电子传递的影响，阐明纳米粒子诱导生物膜形成及介导和促进产电微生物胞外电子转移的规律，在实际应用中探索利用纳米粒子的这些特性优化、提高MFC的产电效率。研究成果将为高效可再生能源器件的开发，以及评估纳米粒子的环境影响提供科学依据。

胞外电子转移（EET）是自然界中微生物利用固态电子受体进行能量代谢的一种方式，基于EET的微生物燃料电池（MFC）技术在环境净化、清洁能源、资源再生等方面有潜在的应用前景。半导体纳米材料已被广泛应用于电子、化工、生物医学、环境及能源等领域中。在MFC的研究中，基于纳米材料和结构的各种电极设计是提高电池性能的重要方法。本项目旨在通过考察半导体纳米材料对微生物EET能力的影响，发展能有效提高MFC性能的新型电极修饰技术和方法。主要研究内容和结果如下：.1、采用生物电化学和分子生物学的方法对比了溶液中alpha-Fe2O3、TiO2及其与TiN的复合纳米粒子对希瓦氏产电菌PV-4形成生物膜和产电能力的影响。结果表明，在一定的电势下，不同材料的纳米粒子对相关蛋白的基因表达有不同的效应。半导体在溶液中的氧化-还原特性和溶解性都影响产电菌生物膜在电极表面的EET，但产电能力与相关代谢物合成蛋白、外膜细胞色素蛋白、鞭毛蛋白的基因表达并无直接的对应关系，因此，有必要选择和利用更多的工具和方法深入探索纳米材料对微生物胞外电子转移影响的生物学机制。.2、在碳纸电极表面原位生长了alpha结构的FeOOH纳米线、Fe2O3纳米片和Fe2O3介孔纳米柱。这些纳米结构都能有效地增强产电菌在电极表面的EET速率。当纳米片的尺寸从5~11um降低到与微生物相当的尺度（~0.5um ），细菌产电能力达到最大，而进一步降低纳米片尺寸，细菌产电能力则开始下降。该结果为生物电极的设计提供了有益的线索。.3、提出了一种单纯TiO2修饰的、具有高产电活性的生物电极制备方法。在碳纸电极表面合成了垂直生长的锐钛矿TiO2纳米片（长2um，宽约200-600 nm，厚约15 nm）阵列。取向纳米片增强的电导、敞口的孔道结构、以及优异的生物相容性使PV-4外膜蛋白在TiO2纳米片修饰电极上的电子转移速率（0.197s-1）比在未修饰的电极（0.0129s-1）增大一个量级。而进一步的掺杂（N）或复合导电聚苯胺使MFC的最大输出功率密度分别再提高约30%和50%。.4、将可见光活性的纳米TiO2光催化用于优化MFC的性能。利用光催化预处理高浓度、高毒性的有机废水，在提高底物生物可利用度的同时，又尽可能保留废弃有机质可利用的化学能。采用光催化预处理的废水作为底物，MFC的的输出功率度得到显著提高。