基于厚度方向生物膜空间结构的微生物电子传递机理解析

There is no doubt that biofilms are a key element in bioelectrochemical systems (BESs). However, biofilms are very complex and spatial-temporal variable systems, which host a large number of biological, electrochemical and material processes. Thus, the biofilm structure and the extracellular electron transfer (EET) pathway in the biofilm are two key points in BES research. In this proposal, biofilms will be studied from the spatial and temporal considerations. The spatial structure of the biofilms (inoculated with difference cultures) at different growth stages will be investigated in terms of electrochemical activity, biomass, morphology, spatial metabolic status, pH status, et al. Moreover, the interspecies electron transfer in the mature biofilms of the mixed culture will be further spatial investigated in terms of microbial community, spatial status of Geobacter and gene expression level. Based on feedback information, the empirical formula of electrochemical activities and biological parameters and the spatial modeling will be given out to describe electron transfer pathway in the biofilm, which will greatly benefit the BES design and scale up in future.

导电生物膜是构建高性能生物电化学系统（BES）的关键因素。解析和优化导电生物膜中的电子传递机制对于提高BES的产电能力具有重大意义。本课题以生物膜的空间结构为突破口，沿生物膜厚度方向，从电化学活性、生物量、生物膜形态、新陈代谢活性细胞的空间分布、pH分布等多重尺度着手，综合分析生物膜生长过程中不同时期的电化学特性和生物学结构，以期明确导电生物膜的空间结构以及不同厚度层细胞对产电的贡献。同时，拟通过分析Geobacter纯培养物和混合菌群培养物形成的生物膜在空间结构、群落结构和基因表达水平上的差异性，探明复杂微生物体系生物膜中的种间协作电子传递机制。在此基础上，建立电化学特性和生物学参数之间的经验公式，描述不同位置和不同功能类型的微生物在生物膜中参与胞外电子传递的行为，建立生物膜空间模型，为提高BES的阳极性能提供理论基础和技术指导。

生物电化学系统（BES）是一类利用微生物胞外电子传递能力回收生物质能源的装置。解析和优化导电生物膜的胞外电子传递机制对于提高BES的产电能力具有重大意义。研究以生物膜的空间结构为突破口，沿生物膜的厚度方向，从电化学活性、细胞新陈代谢活性的空间分布、生物量、形态等多重尺度，综合分析了不同类型生物膜在不同生长阶段的特性，得出了获得和维持高性能导电生物膜的条件，为BES长期、稳定、高效的运行提供了理论基础和技术指导。.以生物膜的空间结构为突破口，描述了不同位置和类型的微生物在生物膜中参与胞外电子传递的行为。研究Geobacter anodireducens、Geobacter sulfurreducens和混菌3种类型的导电生物膜，获得了“外活菌层和内死菌层”和“全活性细胞”的两种生物膜结构，明确这两类生物膜结构和电化学活性之间的定量关系：维持高电流密度的运行有助于获得“全活性细胞”的导电生物膜；而在小电流下长时间运行，会使得死细胞在膜内层累积，从而影响性能。相关成果发表在Environ. Sci. Technol.。定量分析总生物量、活性细胞生物量和死细胞生物量，明确了BES的阳极性能取决于生物膜活性细胞的生物量和死活细胞之间的比例，而非生物膜的总生物量。相关成果发表在Int. J. Hydrogen Energy。.首次发现电流对于生物膜新陈代谢结构的影响是可逆的。大电流运行中获得的“全活性细胞”生物膜在切换至小电流运行后，死菌内层会出现，生物膜转化为“外活菌层和内死菌层”的结构；反之亦然。这表明维持BES长期、稳定的工作，需要避免长时间的低电流运行。例如在废水处理中，要避免低COD条件下的长时间运行。相关成果发表在J. Power Sources。.研究首次获得高效的产电纯培养微生物，Geobacter anodireducens。该微生物为本研究的开展提供了重要的微生物资源。该微生物已获得国家发明专利，并发表了全基因组序列。观察Geobacter在混菌生物膜内部的空间分布，明确了Geobacter在高产电生物膜中的优势地位和富集规律，相关成果待发表。