微生物层面上微生物-电极界面过程的机制研究

Microbial-electrode interface transfer is a core for the microbial electrochemistry.Understanding the mechanism of interface transfer is the key to develop microbial electrochemical system with high performance. The previous studies on the mechanism of microbial-electrode interface transfer,specially on mechanism of electron shuttle, were mainly focused on the current generation of bulk biofilm and interface characteristics between the electrode and the bacteria that were not confirmed to involved in the electron shuttle, resulting in a "deduction" mechanism.In order to obtain the real mechanism of microbial-electrode interface transfer, in this proposal we will build up a new study system based on the microelectrode and on-site observation of interface between the bacteria and electrode to obtain three biofilms,i.e.a biofilm with single bacterial, one layer of biofilm several bacteria and two layers of biofilm with several bacteria. Those biofilms will be used to investigate the interface characteristics and electrochemical performance of the interface between the electrode and bacterial,interface between same kind of bacteria, interface between different bacteria, by using on-site interface observation，advanced electrochemical techniques and SEM.The effects of metabolism and adsorption/desorption of bacteria on the electrochemical performance will be studied by using electrochemical noise technique,to further confirm the obtained mechanism of interface transfer.

微生物-电极的界面过程是微生物电化学体系的核心，查明界面过程机制是开发高性能微生物电化学技术的关键。目前，微生物-电极界面过程的研究，特别是电子传递机制的研究主要基于生物膜层面上的整体生物膜电化学性能与局部微生物-电极界面形貌、成分相结合，由于不能确定所分析的界面参与了产电，因此，所提出的电子传递机理只是一种推测。本项目拟建立微电极、同步现场观察微生物-电极界面过程的研究系统，以控制生物膜生长获得单个微生物生物膜、单层多个微生物生物膜、由多层微生物生物膜，采用现场界面观察和现代电化学技术，系统地研究微生物-电极界面、同类微生物界面、和异类微生物界面的特征和对应的电化学特性；采用电化学噪声技术解析电极表面微生物的新陈代谢和吸脱附所引起的电信号波动；实现产电性能与微生物-电极界面特征的关联；从微生物层面上全面解析产电微生物-电极的界面过程，为提升微生物电化学体系的性能提供理论依据。

合理利用资源，实现废物的资源化利用成为解决环境污染、资源短缺和能源危机的重要途径。以微生物燃料电池为代表的微生物电催化能源转化系统将废弃物中的有机物的化学能转化成电能或燃料等有用资源，同时高效处理废弃物，成为一种全新的废弃物资源化技术。而微生物-电极的界面过程是微生物电化学体系的核心，查明界面过程机制是开发高性能微生物电化学技术的关键。本项目建立了从宏观到微观的小型电池、碳纤维电极电池系统和微通道电池系统等三种研究电池系统。构建了同步现场观察微生物-电极界面过程的研究系统。研究了纯菌和和混菌的生物膜生长过程；采用现场界面观察、现代电化学技术、扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜，系统地探讨了生物膜结构如微生物-电极界面、同类微生物界面、和异类微生物界面的特征和对应的电化学特性；采用电化学噪声技术解析电极表面微生物的新陈代谢和吸脱附所引起的电信号波动；实现产电性能与微生物-电极界面特征的关联；全面解析产电微生物-电极的界面过程；探讨了产电生物膜中微生物之间和微生物与电极之间的电子转移和质子迁移机制；研究表明：（1）对产电混菌，微生物在电极表面吸附生长与电极的导电性相关，生物在电极上选择吸附生长而不均匀生物膜。在高导电区，微生物易吸附，呈类平行电极表面排列的紧密堆积，微生物之间的电子传递以电子中介体机理为主；在低导电区，微生物不易吸附，生物呈垂直电极表面疏松排列，微生物之间的电子传递可能以直接电子传递或纳米导线机理为主。（2）对纯菌，微生物优先在某些区域吸附，而后沿电极表面平行成长，成熟生物膜呈内死外活的结构，微生物之间的电子传递主要为电子中介体机理。混合菌也呈现两层结构的生物膜，这种生物膜结构的形成可能与多种因素有关如电流密度。（3）微生物在电极表面的移动和吸脱附能产生电信号波动，说明微生物产电的电子传递以中介体机理为主。研究结果可为提升微生物电化学体系的性能提供理论依据。