新型生物光电还原体系的构建及其降解机理研究

Exoelectrogens have distinctive application in the bioremediation of organic pollutants due to its non-specific reduction ability. However, the electron energy released by exoelectrogens is not high enough to reduce some environmental organic pollutants. Thus, this project intends to combine exoelectrogens with visible light responsive photocatalysts to establish a novel bio-photoelectric reductive degradation system. Electrons released by exoelectrogenic bacteria are transferred to nanomaterials and then its energy is improved by photoexcitation to reduce refractory organic pollutants efficiently. The optimization of operating parameters are conducted by synthesis and characterization of nanomaterials, the electron transfer mechanism and the biocompatibility of nanomaterials. Additionally, the degradation mechanism is elucidated by molecular biology, microbiology and analytical chemistry. This project may improve nonspecific reduction capacity of exoelectrogens and is beneficial for promoting their application in environmental bioremediation.

产电微生物因其特有的非特异性还原降解能力而在有机污染物的生物修复中得到广泛应用。但是产电微生物所释放的电子能量较低的缺陷严重制约了其对很多污染物的降解能力。本课题拟采用将产电微生物和可见光响应型光催化材料相结合，将产电微生物代谢生成的电子传递给纳米材料，利用可见光激发将电子的能量提高，从而建立新型的"生物光电"降解体系，实现对有机污染物的高效还原降解。根据这一理论设计，本项目从可见光催化纳米材料的合成表征、产电微生物电子传递机制、以及纳米材料的生物相容性三个方面入手，通过优化自行设计的小型厌氧可见光还原降解装置的运行参数实现对有机废水的高效降解，并结合分子生物学、微生物学、分析化学等多种方法，解析生物电子传递机制和化学降解过程，阐释生物光电还原降解机理。本项目的顺利开展将能显著增强产电微生物的降解能力，扩展其在环境修复中的应用范围，具有重要的学术价值和良好的应用前景。

产电微生物因其特有的非特异性还原降解能力而在有机污染物的生物修复中得到广泛应用。但是产电微生物所释放的电子能量较低的缺陷严重制约了其对很多污染物的厌氧降解能力。因此，本项目针对产电微生物所释放电子能量较低、还原能力不足的缺点，通过模式产电菌株S. oneidensis MR-1和光还原纳米材料联用构建新型的“生物光电”降解体系，从而将产电微生物代谢生成的电子传递给纳米材料，并通过光激发将电子的能量提高，从而实现对有机污染物的高效还原降解。根据这一理论设计，本项目首先从光催化纳米材料的生物合成及表征着手，研究利用S. oneidensis MR-1为生物催化剂，生物合成具有光催化能力的ZnS、CdS等金属硫化物纳米材料；然后再通过多种技术方法解析了产电微生物对有机污染物厌氧降解的机制，证实了产电微生物细胞表面的非特异电子释放介导了胞外污染物广谱降解能力；在此基础上，我们开发了利用染料作为指示剂评估微生物产电能力的方法，并进一步发展了用于研究污染物厌氧降解的高通量测量方法；在纳米材料生物相容性研究方面，我们证实光催化纳米材料可以通过产生ROS进行群体感应信号分子的淬灭来控制生物膜的形成。而光照条件能影响Ag基纳米材料的生物毒性；在上述研究的基础上，我们分别利用生物合成的CdS纳米颗粒和化学合成的Ag3PO4纳米材料与S. oneidensis MR-1联用，构建了新型生物光电还原体系，成功实现了对多种污染物的高效厌氧降解。本项目的顺利开展极大地增强产电微生物的降解能力，扩展其在环境修复中的应用范围，为难降解有机污染物的高效生物处理提供一种全新的技术手段，具有重要的学术价值和良好的应用前景。