基于铜绿假单胞菌的分子改造优化微生物燃料电池产电性能的研究

Microbial fuel cell (MFC) is a novel system converting chemical energy in the biomass into electricity. It has great promise as a method of environment treatment and producing renewable energy. Two key facts affecting MFC energy conversion efficiency are: electrode materials, modification and catalyst used; electron production in the bacterial and electron transfer. Some developments have been made to the field of electron materials and its modification with catalyst; however, few attentions have been paid to the process of electron production and transfer. Recently, with the rapid development of molecular biology and genetic engineering, we are more capable to carry out research into the process of electron production in the bacterial and the electron transfer between bacterial and anode. On the basis of having successfully built the single chamber air-cathode MFC, Pseudomonas aeruginosa is chosen as studying objective and its electron production process and electron transfer mechanism are analyzed systematically. By manipulating the expression of key enzymes through the biological oxidation process, electron production can be increased; by optimizing the metabolic pathway, production of secondary metabolism product- pyocyanin can be increased and hence enhance the electron transfer since pyocyanin is the main electron carrier in Pseudomonas aeruginosa. These works will provide some fundamental guidance and technical method for finally achieving the target of building high energy production MFC with molecular modificated bacterial.

微生物燃料电池（MFC）作为一种新型的生物质能转化方式在环境治理和能源领域都有巨大的潜力和应用前景。影响MFC能量转化效率的两个关键因素是：电极材料的选择、修饰和催化剂研究；微生物产电、传递电子效率。前者作为电池研究的共性关键问题已经取得了一些进展，而针对微生物自身的产电和电子传递机理的研究则相对较少。近年来，随着分子生物学和基因工程的不断发展，我们有了更加丰富的手段和技术储备去解析MFC产电菌的电子产生过程和传递机理。本项目在前期已成功构建空气阴极无膜型单室MFC的基础上，选择铜绿假单胞菌作为研究对象，系统分析其生物产电过程和电子传递机理，合理调控生物氧化产电过程中关键酶的表达从而促进铜绿假单胞菌的电子产生，采用代谢流和代谢方法分析，优化代谢途径增加作为电子传递体的次级代谢产物-绿脓菌素的产量来提高电子传递效率，为最终实现通过分子改造产电菌构建高产电性能MFC提供了理论基础和技术方法。

微生物燃料电池是一种利用微生物分解代谢各种生物质燃料，将化学能直接转化为电能的装置，在生物质转化中具有突出应用前景。本项目以铜绿假单胞菌为研究对象，具体研究内容与结果如下：.1）电子产生机制研究：构建NAD合成酶基因nadE过表达菌株P.aeruginosa-nadE，最高输出电压为590mV左右，功率密度为497.29mW/m2，分别是原始菌株的2.36倍和5.57倍。内阻为712.86 Ω，为原始菌株的44.63%。绿脓素为11.94μg/ml，为原始菌的2.75倍。NAD合成酶的过表达可提高细胞内的NAD+及NADH的含量，而NAD+/NADH的改变引起菌体内代谢水平改变，使绿脓素产量增多，提高了菌体的电子传递效率和产电子能力，从而提高产电能力。.2）电子传递机制研究：构建甲基转移酶基因phzM过表达菌株PAO1-phzM，其绿脓素产量为44.65μg/ml，是原始菌株的2.81倍。最高输出电压为340 mV，最大功率密度为166.68mW/m2，分别是原始菌的2倍和3.92倍。液质联用检测得知PAO1-phzM-MFC中绿脓素的量是PAO1-MFC的2.5倍。由此推断内源产生过量绿脓素这种电子中介体是引起重组菌PAO1-phzM产电性能提高的主要原因。.3）产电菌细胞膜结构修饰：MFC中添加40mg/L槐糖脂（一种生物表面活性剂）最高输出电流提高70%，启动时间缩短50%，功率密度提高2.6倍，电池内阻下降56%。利用循环伏安扫描和HPLC分析，添加槐糖脂处理提高了产电菌向胞外释放电子中介体绿脓素的总量（提高80%），提高了产电菌向胞外传递电子的能力和效率，使MFC产电性能提高。同时，项目过表达鼠李糖基转移酶基因 rhlA，得到工程菌 P.aeruginosa PAO1-rhlA，鼠李糖脂的含量及其细胞通透性显著提高，最高电压提高近2倍，内阻降低了30%，最大功率密度提高了2.56 倍,绿脓素的含量为原始菌的2.55 倍。.4）处理沼液：将沼液作为原料联合MFC 技术进行产电，最高输出电压达330mV，最大功率密度为10.98mW/m2，沼液COD、总N、总P均能显著去除。.MFC具有原料广泛、反应条件温和、清洁高效等优点，在生物质能和环境保护领域具有巨大应用前景，因此研究MFC电子产生机理、优化微生物产电性能等，对其实际应用具有重要指导意义。