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主要作者及研究机构

该研究的主要作者包括Yujing Jiang、Pingping Li、Yuanyuan Wang、Li-Ping Jiang、Rong-Bin Song、Jian-Rong Zhang和Jun-Jie Zhu。研究机构包括南京大学化学与生命科学学院、郑州大学生态与环境学院等。该研究发表于《Journal of Materials Chemistry A》期刊，发表日期为2020年10月26日。

学术背景

该研究属于微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFCs）领域。MFCs是一种典型的生物电化学系统（Bioelectrochemical Systems, BESS），能够通过微生物代谢有机废物并同时产生电能。尽管MFCs在许多方面取得了显著进展，但由于其相对较低的功率输出，工业应用仍然受限。高效的外电子传递（Extracellular Electron Transfer, EET）和阳极表面的细菌负载量是决定MFCs功率密度和库仑效率的重要因素。因此，研究人员致力于通过纳米材料修饰阳极来优化表面特性并扩大表面积，以促进天然生物膜的形成。然而，天然生物膜中的大多数细菌细胞远离功能性纳米材料，必须依赖邻近细菌传递电子，这在一定程度上限制了EET效率和MFC性能。为了解决这些问题，研究人员提出了人工电活性杂化生物膜，但并非所有细菌细胞都能与纳米材料直接接触。

研究流程

该研究主要包括以下几个步骤：

1. 细菌表面修饰：研究人员通过生物矿化和静电吸引的方法，将金纳米颗粒（Au NPs）和四氧化三铁纳米颗粒（Fe3O4 NPs）共修饰到Shewanella oneidensis MR-1细菌表面，形成S. oneidensis MR-1@Au@Fe3O4。首先，通过生物矿化将Au NPs沉积在细菌表面，然后通过静电吸引将Fe3O4 NPs加载到细菌表面。

2. 细菌活性分析：通过活/死细菌荧光染色和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察，评估修饰后细菌的活性。结果显示，修饰后的细菌仍保持较高的活性。

3. 电化学性能测试：将修饰后的细菌用于MFCs的阳极，评估其启动性能、稳定性和输出性能。结果表明，共修饰细菌的阳极在启动时间、稳定性和最大功率密度方面均优于未修饰细菌的阳极。

4. 形态和结构表征：通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察修饰后细菌的形态，通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析修饰后细菌的结构。

5. 电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）分析：评估修饰后阳极的电导率和电子传递效率。结果显示，共修饰阳极的电导率和电子传递效率显著提高。

主要结果

1. 细菌表面修饰：成功将Au NPs和Fe3O4 NPs共修饰到S. oneidensis MR-1细菌表面，形成S. oneidensis MR-1@Au@Fe3O4。

2. 细菌活性分析：修饰后的细菌仍保持较高的活性，表明修饰过程对细菌活性无显著影响。

3. 电化学性能测试：共修饰细菌的阳极在启动时间、稳定性和最大功率密度方面均优于未修饰细菌的阳极。共修饰阳极的最大功率密度达到1792 mW m⁻²，是未修饰阳极的12.4倍。

4. 形态和结构表征：SEM和TEM观察显示，修饰后细菌表面形成了多层密集的生物膜。XRD和XPS分析证实了Au NPs和Fe3O4 NPs的成功修饰。

5. 电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）分析：共修饰阳极的电导率和电子传递效率显著提高，表明共修饰阳极具有更好的电化学性能。

结论

该研究成功地将Au NPs和Fe3O4 NPs共修饰到S. oneidensis MR-1细菌表面，显著提高了MFCs的启动性能、稳定性和最大功率密度。研究结果表明，多步修饰技术能够有效整合多种功能，从而优化MFC性能。该研究不仅深化了细胞表面修饰技术在MFCs中的应用，还为细菌细胞的多步修饰提供了新的思路。

研究亮点

1. 重要发现：共修饰细菌的阳极在启动时间、稳定性和最大功率密度方面均显著优于未修饰细菌的阳极。
2. 方法创新：通过生物矿化和静电吸引的方法，将Au NPs和Fe3O4 NPs共修饰到细菌表面，形成多功能修饰细菌。
3. 研究对象特殊性：研究选择了Shewanella oneidensis MR-1作为研究对象，该细菌在MFCs中具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容

该研究还详细探讨了修饰后阳极的电导率和电子传递效率，为进一步优化MFC性能提供了理论依据。此外，研究还提出了多步修饰技术的应用前景，为未来相关研究提供了新的方向。