生物电化学系统中混菌生物膜的形成过程与快速高效成膜方法研究

Bioelectrochemical systems (BES) can treat wastewater with simultaneous electricity recovery, hydrogen production or desalination. In order to startup this system successfully and operate it stably, the fast acclimation of high performance and stable biofilm that able to transfer electron extracellularly is vital. However, intensive research on the formation of electrochemically active biofilm (EAB), especially the biofilm of mixed bacteria, is urgently needed. Here we intend to investigate the reciprocal mechanism of fermentative bacteria and exoelectrogenesis based on bacterial activity, bacteria-electrode interface analysis, high-throughput sequencing, content analysis of biofilm and quantification of key functional genes. Based on the method constructed above, we plan to investigate the influencing mechanisms of surface characteristics of electrode material, typical quorum-sensing signals and alternate current on the formation of EAB. These results will be preliminarily used in anaerobic wastewater treatment systems. These research can extend our knowledge on the formation process of EAB in mixed culture, providing theoretical and technical support for the fast startup and stable operation of BES and anerobic wastewater treatment systems based on direct bacterial electron transfer.

生物电化学系统能够同步处理废水和回收电能、产氢或进行脱盐。如何能够快速形成高效、稳定的具有直接胞外电子传递能力的生物膜是该系统成功启动和稳定运行的关键。然而，关于混菌电活性生物膜的形成过程和形成机制亟待深入研究。本研究拟从发酵菌-产电菌的二元培养入手，结合微生物活性、微生物-电极界面特性、高通量测序、生物膜组成和关键功能基因定量分析，确定成膜过程中发酵菌与产电菌的相互作用机制，构建混菌电化学活性生物膜的研究方法。以生活污水为接种菌源，探索电极材料表面特性、典型信号类物质和交变电场对混菌电活性生物膜形成过程的影响机制，获取快速、高效电化学活性菌群驯化方法，并将其初步应用于厌氧废水处理系统。上述研究将丰富我们对电化学活性微生物在混菌生物膜形成过程中作用的认知，为基于直接电子传递的生物电化学系统和厌氧废水处理系统的快速启动和稳定运行提供理论和技术支持。

生物电化学系统能够同步处理废水和回收电能、产氢或进行脱盐。如何能够快速形成高效、稳定的具有直接胞外电子传递能力的生物膜是该系统成功启动和稳定运行的关键。在本项目中，我们研究了电活性生物膜的成膜过程，开发了多种快速成膜方法，将上述成果用于污染预警传感器。本研究创造性地发明了双光源明场微生物电化学原位成像系统，首次观察并报道了电活性生物膜的成膜过程受电场强度调控。强电场区域选择性富集了Geobacter anodireducens。开发了重力沉降快速成膜方法，发现重力沉降可有效提升阳极表面电活性生物膜的附着速度和输出电流，与对照相比成熟生物膜的厚度增加了46%，电活性也提升了近30%。发现了可从污水中选择性加速电活性微生物富集的新的信号物质——妥布霉素。发现了亚抑制浓度（1/80和1/40 MIC）妥布霉素可从污水混菌中快速选择性富集电活性微生物，电流密度提升了17 %，群落中的产电菌Geobacter数量可提升1.6倍。转录组学分析揭示了与产电密切相关细胞色素C和IV型伞毛相关基因显著上调是系统性能提升的微生物学机制。通过不同频率、振幅的正弦交流电扰动探索了电活性生物膜内电子传输机制，发现了交流电频率对生物膜形态具有重要影响。在生物膜稳定性方面，针对造成系统崩溃的冲击负荷，我们成功地将40nm厚的聚多巴胺层包裹在电活性生物膜外，在极酸（pH=0.5）冲击下维持了生物膜的电活性。除了加速环境污染去除外，环境中的电活性微生物活性变化可直接反馈为电流衰减，基于此原理可将其应用于环境污染的早期预警。申请人开创性地将敏感单元由微生物拓展为植物叶片，发明了植物-微生物电化学传感器实现了酸雨快速预警。阐明了酸雨激发的信号通过富马酸、半乳糖和葡萄糖通路由叶片经根际传导至微生物，响应时间小于2 min。该论文被选为ACS Editor’s Choice，永久免费开源。该论文发表后成为ACS Sensors“Most Read”第1名，被世界著名杂志经济学人以“A Cheap Way to Save Rice Plants from the Effects of Acid Rain”为题进行专题报道。上述研究将丰富我们对电化学活性微生物在混菌生物膜形成过程中作用的认知，为基于直接电子传递的生物电化学系统和厌氧废水处理系统的快速启动和稳定运行提供理论和技术支持。