异化金属还原菌自组装合成磁性石墨烯复合材料促进生物还原难降解污染物研究

Dissimilatory metal reducing bacteria (DMRB) can biologically synthesize many kinds of nanomaterials under environment-friendly conditions. On the other hand, chemically synthesized nanomaterials were found to be capable of effectively participating in and improving extracellular electron transfer of bacterial cells. Based on the above progress, the applicant here proposes a novel way of self-organized synthesis of magnetic graphene composites by DMRB. The composites containing DMRB cells, reduced graphene oxide, nanoscale polyaniline and Fe3O4 would have good electrical conductivity, bio-redox mediating activity and be magnetically recoverable for reuse. The composites would facilitate the reductive biotransformation of nitroaromatics and other recalcitrant pollutants by DMRB or activated sludge. Through characterization of physical, chemical and electrochemical properties of the composites, and analyses of biological systems interacted with the composites by molecular biology and molecular ecology methods, it would be possible to optimize and develop controllable methods for biological synthesis of nanocomposites, explore mechanisms of self-organized synthesis of nanomaterials, probe potential roles of different components in electron transfer and mediated reduction. The proposed research would improve our understanding of the involvement of nanomaterials in microbial extracellular electron transfer and pollutants biotransformation. It is hoped that this would lay the theoretical and technical foundation to facilitate the application of bionanotechnology in environmental engineering.

异化金属还原菌(DMRB)能够环境友好地合成多种纳米材料，而化学法合成的纳米材料可有效地参与并促进细菌的胞外电子传递。基于上述研究进展，本课题提出利用DMRB自组装合成由细菌细胞与还原氧化石墨烯、聚苯胺和Fe3O4等纳米材料共同构成的具有优良导电性和生物介导还原活性且可回收复用的磁性石墨烯复合材料，并利用复合材料促进DMRB和活性污泥还原硝基芳烃等难降解污染物。通过对材料的物理、化学和电化学性质表征，以及对与材料相互作用的DMRB和活性污泥等生物体系的分子生物学和分子生态学研究，优化并建立可控的生物合成纳米复合材料方法，探讨复合材料自组装合成机制及各组分在电子传导和介导还原中的作用，揭示微生物细胞合成和利用复合材料进行胞外电子传递的分子机理，深化对纳米材料参与微生物胞外电子传递和影响污染物生物转化的认识，为推动生物纳米技术在环境领域的应用提供理论和技术基础。

异化金属还原菌(DMRB)能够环境友好地合成各种贵金属纳米材料用于促进污染物降解，而其电子传递过程亦受到共存纳米材料的影响。基于此，本课题利用一种典型的DMRB菌株，Shewanella oneidensis MR-1，分别自组装合成了贵金属及合金(Pd、Pt和Pd-Pt合金)、磁性贵金属(Pd/Fe3O4、Au/Fe3O4和PdAu/Fe3O4)以及石墨烯复合材料(纳米金-石墨烯和磁铁矿-石墨烯)，并利用所合成的纳米材料强化污染物的降解。研究表明，利用DMRB合成的金属、金属合金、磁性金属纳米颗粒以及纳米金-石墨烯复合材料不仅可以显著提高NaBH4对4-硝基酚的还原速率，还具有良好的循环利用性，有利于环境中污染物的去除。此外，不同的表面改性石墨烯氧化物可以有效的介导生物还原硝基苯(即使rGO浓度高达200 mg/L时，硝基苯的生物还原也没有受到抑制)；磁铁矿-石墨烯对染料有良好的吸附能力，常温下磁铁矿-石墨烯对甲基橙的饱和吸附量可以达到144.9 mg/g，且该材料同样可以再生利用。同时，本课题初步探索了释放到环境中的纳米材料对环境中铁矿物的微生物转化的影响及机制：在S. oneidensis MR-1还原水铁矿的过程中，低浓度石墨烯材料(0-0.5 mg/L)可以作为电子穿梭体促进水铁矿的还原，而高浓度石墨烯(10-100 mg/L)则会包裹细胞或矿物，从而阻碍S. oneidensis MR-1与水铁矿间的电子传递，抑制其生物还原。除工程纳米材料外，本课题研究发现，天然环境中的黑炭、褐煤以及腐殖酸等碳基材料同样可以介导DMRB与污染物或含铁粘土矿物的电子传递。同时，细胞的胞外电子传递、微生物趋化性以及细胞与生物炭间的静电作用均有可能对环境中细胞和生物炭在饱和多孔介质的共运移产生影响。本课题不仅为更加简单、环保地合成具有催化环境污染物还原转化能力的纳米材料提供了技术支撑，还深化了对纳米材料及天然碳基材料参与的微生物胞外电子传递和影响污染物生物转化的认识，为生物纳米技术在环境领域的应用提供理论和技术基础。