微生物燃料电池毒性传感器可再生阳极生物膜温敏调控机理研究

Microbial fuel cell (MFC) based environmental toxicity biosensor technique shows promising prospect because it can monitor wastewater toxicity in real time, and possesses several advantages such as energy-autonomous, fast response, simple construction and low-cost. However, for traditional MFC toxicity sensors, the anodic electrogenic bacteria acclimation time/system start-up time is fairly long; after repeated shocks from certain toxic substances, the electrogenic bacteria will gradually establish corresponding toxicity tolerance, which directly decreases sensor sensitivity. These two key issues impede the practical application of MFC based biosensor. A new type composite anode material will be designed by combining macroporous filter membrane and wettability thermal controllable thin-film. Based on the new type anode, we will investigate the mechanisms of macroporous morphology affecting the controlling degree of the anodic surface wettability, the acclimation efficiency of the electrogenic biofilm and clarify the mechanism of anodic factors affecting the sensing performance; investigate the mechanism of thermal controlling over the anodic biological interface wettability affecting the detachment/regeneration efficiency of electrogenic biofilm, and exploring its intrinsic relationship with the suppression of the toxicity resistance of the MFC toxicity sensor, thus provide theoretical guidance for solving the scientific questions hindering MFC toxicity sensor application.

基于微生物燃料电池（MFC）的环境毒性生物传感器技术，可以实时监控污水毒性物质，并且具有自我供能、反应迅速、结构简单、成本低廉等优势，因此展现出良好的应用前景。然而传统的微生物燃料电池阳极产电菌驯化时间较长，传感器启动时间较慢；经特定毒性物质反复冲击后，阳极产电菌将逐渐建立起相应毒性抗性，从而直接降低传感器性能。这两个关键问题阻碍着MFC环境毒性传感器的实际应用。本项目将通过复合大孔滤膜—温敏润湿性纳米薄膜设计新型阳极材料，考察阳极微观形貌对纳米薄膜润湿性的调控规律，研究其影响产电生物膜快速驯化速率的微观机理，阐明阳极润湿性对传感器传感性能的影响机制；考察阳极生物界面润湿性的温敏调控对产电生物膜脱附/再生效率的影响机制，并探究其对MFC毒性传感器毒性抗性的作用规律，从而为解决MFC毒性传感器面临的科学问题提供理论支撑。

微生物燃料电池（MFC）毒性传感技术面临的两个主要问题是，阳极产电菌驯化时间较长，传感器启动时间较慢；经特定毒性物质反复冲击后，阳极产电菌将逐渐建立起相应毒性抗性，从而直接降低传感器性能。本研究采用紫外光聚合法制备了PNIPAAm，表征结果显示它依靠疏水的异丙基和亲水的酰胺基，展现出温敏两亲性，并具有溶胀-去溶胀能力的水凝胶，其低临界相转变温度LCST在33.7℃左右；优选了酸化后的炭黑与P(NIPAAm-co-NMA/CB)合成导电凝胶，在保持自身一定形态的前提下，具有溶胀能力和导电性。酸化后的炭黑与未经处理的炭黑相比-COOH活性基团显著增加，大大改善了导电颗粒在溶液中分散情况。采用光聚合法合成的PNIPAAm-ITO复合阳极外观形貌理想，以条带宽度为500 μm，条带间隙为1mm的网格效果最佳。细胞脱附实验表明现阶段合成的水凝胶贴附细菌的能力有限，驯化速率提高效果不明显，有一定脱附细菌的能力。水凝胶网格会受温度的影响发生体积变化，可用物理方法挤压生物膜，达到生物膜最终脱附的目的；此外，本项目构建了以石墨板作为阳极的MFC毒性传感器，针对石墨板阳极的生物膜长时间运行毒性传感效应进行了研究，结果表明，阳极生物膜会因抗性的产生而降低对毒性物质刺激的响应；探讨了生物膜形貌及厚度对MFC传感性能的影响，分别采用碳毡和氧化铟锡导电玻璃（ITO）阳极，形成3D形貌及厚度差异明显的生物膜，ITO阳极较薄的生物膜的传感平均灵敏度是传统碳毡阳极生物膜的3.9倍；探究了群体感应（QS）对MFC传感性能的影响，研究表明，通过外加群体感应信号分子（C6-HSL，3-OXO-C12-HSL），具有增强QS效应的MFC毒性传感器对Pb2+浓度的变化更敏感，从而提高了传感线性度;此外，QS通过构建具有较高抗重金属毒性的产电菌，提高了MFC毒性传感器在Cu2+等强毒性下的恢复能力。