生物电化学系统阴极细菌胞外电子传递机制研究

The biocathode of Bioelectrochemical System (BES) is a new eco-friendly prospect technology which can remove pollution or synthesize product. The improvement of biocathode catalytic activity is based on good understand of the mechanisms of electron transfer and coordinate relations of microorganism groups. With the microorganism groups in biocathode as object, high-throughput sequencing was employed to discover the metagenomics of biofilm on biocathode. Based on 16S rDNA evaluation，the detailed microbial community structure and succession information would be obtained, and the analysis can reveal the key populations and the correlation between microbial population structure and catalytic activity. Functional genomics analysis will be conducted to find out the related genes undertaking extracellular electron transfer. Using bioinformatics software, the electron transfer mechanisms and functions of these genes will be predicted. Using FT-IR spectra, MS and NMR, the electron transfer mediators in cathode electrolyte will be detect，and the electron transfer mechanisms of mediator molecules would be simulate. The results obtained from this study would help for system improvement, new functions discovery and engineering application of BES.

生物电化学系统（BES）阴极微生物催化体系在污水处理中能够实现有害物质的去除或有用物质的合成，是极具发展前景的环境友好型新技术。阴极体系微生物菌群协同作用机制的明晰和电子传递规律的揭示是提高BES系统催化效率的关键所在，亟需研究。本项目以BES阴极微生物为研究对象，拟采用DNA高通量测序技术分析阴极生物膜宏基因组，通过功能基因序列分析，筛选电子传递核心元件基因，并利用生物信息学分析其表达蛋白在阴极电子传递过程中的作用模式，从功能基因水平揭示微生物与阴极间的电子传递机制；利用红外、质谱、核磁共振等手段鉴定阴极电解液中的电子穿梭体，并模拟其电子传递方式，阐释阴极细菌间接传递电子途径。研究成果可为BES系统强化、功能拓展及工程应用等提供理论指导。

本项目以生物电化学系统阴极微生物为研究对象，分别从微生物形态、群落结构组成及功能、可溶性电子中介体三个纬度研究了微生物与电极间的电子传递方式，同时揭示了生物阴极的强化机理，并研发了新的无膜生物电化学系统，在实践中验证了上述理论发现。研究结果显示：生物阴极细菌形态多样，主要以杆状、球状细菌为多数，细菌在电极表面的的附着密度与催化效能呈正相关，在细菌密集区，清晰可见多种细菌尾部存在线状器官桥联电极材料和细菌彼此，推测是电子直接传递的主要方式之一；群落结构分析表明，Proteobacteria, Bacteroidetes 和Actinobacteria门细菌是阴极生物膜中的主要种群，其中无色杆菌属（Achromobacter sp.）细菌在占有绝对优势，其是一种典型的氢氧化细菌(Hydrogen-oxidizing bacteria)，在阴极中可能负责将质子、电子、氧气三者催化合成水，其次，Sphingobacterium和Acinetobacter属细菌也是生物膜中的优势种群，这些种群存在充分的协作共生关系；随着BES启动后时间的延长，富里酸、腐殖酸浓度呈明显的增长趋势，在产电高峰期到达平台期，结合已有研究表明腐殖酸类物质具有优良的电子传递能力，推测富里酸、腐殖酸参与了阴极微生物电子传递过程，是阴极微生物与电极间的电子穿梭体，通过所含的含的醌和氢醌基团的相互转化有效的穿梭电子；基于阴极电子传递机理认识的强化实验表明，电极材料表面增大、粗糙度增加、导电性增强均有利于生物阴极催化性能提高，此外，接种物选择、培养液组分、含氧率控制等都是强化阴极性能的重要手段；利用以上理论发现，设计研发了新型无膜生物电化学系统，用其处理垃圾渗滤液、生活废水等，在能量回收、污染去除等方面均具有良好的效果。因此通过本研究，在理论和实践两方面均获得了重要进展，具有良好的科学意义和应用价值。