微生物燃料电池中细菌自介导胞外电子传递机理研究

Microbial fuel cells (MFCs), an appealing clean energy technology that combines electricity generation and wastewater treatment, has attracted great research interests. A few characteristics enable the MFCs dramatic advantages over conventional energy sources, namely virtually unlimited range of potential fuels, high energy covertion efficiency, mild operation conditions, low cost and friendly to environment. However, present MFCs suffer from low electricity harvesting efficiency, thus limiting its practical applications. The slow electron transfer between bacteria cells and the electrode is one of the key problems that restrict the development of microbial fuel cells.The detail mechanism of the electron transfer process between microbes and anode is still unclear.On the base of previous research about extracellular electron transfer behavior of Escherichia coli (ChemComm,2008,1290; ChemComm,2009,6183), this proposal aims to explore the self-mediated extracellular electron transfer behavior of pseudomonas aeruginosa and escherichia coli. The details include characterization of self-excreted mediators, concentration of mediators and effects of anode chamber environment on mediator excretion etc. The analytical technologies such as electrochemistry, liquid chromatography, mass spectrometry， FTIR will be used for the mechanism analysis. To clarify the diffusion pathway of the mediators near electrode especially in the biofilm attached on the anode, the nano-probe electrode will be used. This project will advance our knowledge on electron transfer mechanism on the interface of bacteria/electrode and give some insights on solving the bottle-neck problem of MFC development.

微生物燃料电池是近几年绿色能源领域研究的热点，具有燃料来源广泛，能量转化效率高，操作环境温和，成本低廉无污染等优点，但是其较低的输出功率密度使其离大规模生产应用还有较大距离。提高阳极微生物与电极间电子传递的效率是目前微生物燃料电池发展面临的一大挑战。目前微生物与电极之间电子传递的机理研究主要集中在直接电子传递机制，而对于细菌自分泌介体所介导电子传递途径的了解甚少。申请人拟在对大肠杆菌胞外电子传递过程的初步研究（ChemComm,2008,1290; ChemComm,2009,6183）基础上，进一步明确阳极微生物自介导的胞外电子传递过程。本项目以绿脓杆菌和大肠杆菌为研究对象，利用纳米探针，结合电化学、色谱、质谱、红外光谱等分析技术，研究内生介体的种类与分子结构，介体在细菌与电极界面的浓度分布，电池环境对介体产生以及细菌代谢的影响等，并建立细菌自介导胞外电子传递模型。

微生物燃料电池是近几年绿色能源领域研究的热点，具有燃料来源广泛，能量转化效率高，操作环境温和，成本低廉无污染等优点，为了提高其输出功率以及电子转移效率，往往通过对电极的修饰或结构优化实现高反应活性面积。然而，提高阳极微生物与电极间电子传递的效率目前仍然是制约阳极性能的主要问题。当前微生物与电极之间电子传递的机理研究主要集中在直接电子传递机制，而对于细菌自分泌介体所介导电子传递途径的了解甚少。本项目以绿脓杆菌、大肠杆菌K12菌株和腐败希瓦氏菌CN32菌株为研究对象，利用粉末微电极对细菌在微生物燃料电池放电过程中自分泌介体的行为进行了实时分析，尤其是针对绿脓杆菌，通过比较不同放电时间以及阳极室中不同位点的吩嗪浓度变化情况总结出了绿脓杆菌阳极吩嗪自分泌行为的模型。研究结果表明，放电过程会促进细菌分泌更多的电子介体，而放电初期电压上升的过程也依赖于电子介体浓度的增加。对于不具备直接电子传递能力的绿脓杆菌而言，生物膜的形成依然会促进产电效率的提高，其原因就是细菌生物膜形成的同时会富集大量的电子介体到电极表面，从而增加了细菌与电极界面的介体浓度，使更多的介体参与界面电子传递。另一方面本项目也对黄素介导的希瓦氏菌CN32菌株在不同纳米结构表面的电化学行为进行了初步探讨，发现3-5nm的介孔结构可能是最适于黄素介导的界面电子传递，为今后进行纳米结构界面的自介导电子传递机理研究打下了基础。