《生物電化學系統陰極細菌胞外電子傳遞機制研究》是依託山西大學，由張國棟擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：生物電化學系統陰極細菌胞外電子傳遞機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張國棟
- 依託單位：山西大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
生物電化學系統（BES）陰極微生物催化體系在污水處理中能夠實現有害物質的去除或有用物質的合成，是極具發展前景的環境友好型新技術。陰極體系微生物菌群協同作用機制的明晰和電子傳遞規律的揭示是提高BES系統催化效率的關鍵所在，亟需研究。本項目以BES陰極微生物為研究對象，擬採用DNA高通量測序技術分析陰極生物膜宏基因組，通過功能基因序列分析，篩選電子傳遞核心元件基因，並利用生物信息學分析其表達蛋白在陰極電子傳遞過程中的作用模式，從功能基因水平揭示微生物與陰極間的電子傳遞機制；利用紅外、質譜、核磁共振等手段鑑定陰極電解液中的電子穿梭體，並模擬其電子傳遞方式，闡釋陰極細菌間接傳遞電子途徑。研究成果可為BES系統強化、功能拓展及工程套用等提供理論指導。
結題摘要
本項目以生物電化學系統陰極微生物為研究對象，分別從微生物形態、群落結構組成及功能、可溶性電子中介體三個緯度研究了微生物與電極間的電子傳遞方式，同時揭示了生物陰極的強化機理，並研發了新的無膜生物電化學系統，在實踐中驗證了上述理論發現。研究結果顯示：生物陰極細菌形態多樣，主要以桿狀、球狀細菌為多數，細菌在電極表面的的附著密度與催化效能呈正相關，在細菌密集區，清晰可見多種細菌尾部存線上狀器官橋聯電極材料和細菌彼此，推測是電子直接傳遞的主要方式之一；群落結構分析表明，Proteobacteria, Bacteroidetes 和Actinobacteria門細菌是陰極生物膜中的主要種群，其中無色桿菌屬（Achromobacter sp.）細菌在占有絕對優勢，其是一種典型的氫氧化細菌(Hydrogen-oxidizing bacteria)，在陰極中可能負責將質子、電子、氧氣三者催化合成水，其次，Sphingobacterium和Acinetobacter屬細菌也是生物膜中的優勢種群，這些種群存在充分的協作共生關係；隨著BES啟動後時間的延長，富里酸、腐殖酸濃度呈明顯的增長趨勢，在產電高峰期到達平台期，結合已有研究表明腐殖酸類物質具有優良的電子傳遞能力，推測富里酸、腐殖酸參與了陰極微生物電子傳遞過程，是陰極微生物與電極間的電子穿梭體，通過所含的含的醌和氫醌基團的相互轉化有效的穿梭電子；基於陰極電子傳遞機理認識的強化實驗表明，電極材料表面增大、粗糙度增加、導電性增強均有利於生物陰極催化性能提高，此外，接種物選擇、培養液組分、含氧率控制等都是強化陰極性能的重要手段；利用以上理論發現，設計研發了新型無膜生物電化學系統，用其處理垃圾滲濾液、生活廢水等，在能量回收、污染去除等方面均具有良好的效果。因此通過本研究，在理論和實踐兩方面均獲得了重要進展，具有良好的科學意義和套用價值。
