《基於胞外電子轉移研究納米材料與微生物的相互作用》是依託東南大學，由付德剛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於胞外電子轉移研究納米材料與微生物的相互作用
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：付德剛
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
胞外電子轉移是微生物與外界環境物質相互作用的一種途徑，人們也基於此開發了微生物燃料電池（MFC）技術。納米材料在促進微生物胞外電子轉移、提高MFC產電效率上已顯示出優良特性。隨著納米材料套用的日益增多，本項目著眼於胞外電子轉移過程，選擇若干有工業套用前景的半導體納米材料研究它們與微生物的相互作用。根據溶液中決定半導體載流子傳輸的表面參量（如平帶電勢、帶邊位置、表面位壘）易調的特性，通過改變納米粒子與微生物氧化呼吸鏈中相關分子和酶的能級相對位置，控制納米粒子與微生物間的電子交換，並採用電化學分析的手段，研究納米粒子的化學組成、尺寸、表面修飾等對胞外電子傳遞的影響，闡明納米粒子誘導生物膜形成及介導和促進產電微生物胞外電子轉移的規律，在實際套用中探索利用納米粒子的這些特性最佳化、提高MFC的產電效率。研究成果將為高效可再生能源器件的開發，以及評估納米粒子的環境影響提供科學依據。
結題摘要
胞外電子轉移（EET）是自然界中微生物利用固態電子受體進行能量代謝的一種方式，基於EET的微生物燃料電池（MFC）技術在環境淨化、清潔能源、資源再生等方面有潛在的套用前景。半導體納米材料已被廣泛套用於電子、化工、生物醫學、環境及能源等領域中。在MFC的研究中，基於納米材料和結構的各種電極設計是提高電池性能的重要方法。本項目旨在通過考察半導體納米材料對微生物EET能力的影響，發展能有效提高MFC性能的新型電極修飾技術和方法。主要研究內容和結果如下： 1、採用生物電化學和分子生物學的方法對比了溶液中alpha-Fe2O3、TiO2及其與TiN的複合納米粒子對希瓦氏產電菌PV-4形成生物膜和產電能力的影響。結果表明，在一定的電勢下，不同材料的納米粒子對相關蛋白的基因表達有不同的效應。半導體在溶液中的氧化-還原特性和溶解性都影響產電菌生物膜在電極表面的EET，但產電能力與相關代謝物合成蛋白、外膜細胞色素蛋白、鞭毛蛋白的基因表達並無直接的對應關係，因此，有必要選擇和利用更多的工具和方法深入探索納米材料對微生物胞外電子轉移影響的生物學機制。 2、在碳紙電極表面原位生長了alpha結構的FeOOH納米線、Fe2O3納米片和Fe2O3介孔納米柱。這些納米結構都能有效地增強產電菌在電極表面的EET速率。當納米片的尺寸從5~11um降低到與微生物相當的尺度（~0.5um ），細菌產電能力達到最大，而進一步降低納米片尺寸，細菌產電能力則開始下降。該結果為生物電極的設計提供了有益的線索。 3、提出了一種單純TiO2修飾的、具有高產電活性的生物電極製備方法。在碳紙電極表面合成了垂直生長的銳鈦礦TiO2納米片（長2um，寬約200-600 nm，厚約15 nm）陣列。取向納米片增強的電導、敞口的孔道結構、以及優異的生物相容性使PV-4外膜蛋白在TiO2納米片修飾電極上的電子轉移速率（0.197s-1）比在未修飾的電極（0.0129s-1）增大一個量級。而進一步的摻雜（N）或複合導電聚苯胺使MFC的最大輸出功率密度分別再提高約30%和50%。 4、將可見光活性的納米TiO2光催化用於最佳化MFC的性能。利用光催化預處理高濃度、高毒性的有機廢水，在提高底物生物可利用度的同時，又儘可能保留廢棄有機質可利用的化學能。採用光催化預處理的廢水作為底物，MFC的的輸出功率度得到顯著提高。
