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作者及机构
本研究的主要作者包括Swati Das、Akash Tripathi和Makarand M. Ghangrekar，分别来自印度理工学院卡拉格普尔分校的PK Sinha生物能源与可再生能源中心以及土木工程系。该研究于2024年2月5日发表在期刊《Chemosphere》上，文章编号为141392。

学术背景
本研究的主要科学领域是生物电化学技术，特别是微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）的应用。MFC是一种前沿技术，通过培养电活性微生物在处理废水的同时回收电能和其他有价值物质。然而，空气阴极MFC中阴极表面的生物膜生长会加剧氧化还原反应速率，导致MFC整体性能下降。为了解决这一问题，研究者探索了生物合成的银纳米颗粒（Silver Nanoparticles, AgNPs）作为阴极催化剂和抗生物污垢剂的应用。AgNPs具有广泛的潜在应用，包括作为阴极催化剂和抗生物污垢剂，且对自然环境无害。本研究的目的是展示通过使用芦荟和藻类合成的AgNPs作为阴极催化剂和抗生物污垢剂，提升MFC的性能。

研究流程
本研究包括以下几个主要步骤：
1. AgNPs的合成：从芦荟叶和淡水绿藻（Chlorella sorokiniana）中提取水溶液，使用硝酸银（AgNO3）作为前体，在特定温度和搅拌条件下合成AgNPs。合成的AgNPs经过过滤、洗涤和干燥处理。
2. MFC的构建与电化学性能监测：构建了四个实验室规模的空气阴极MFC，分别使用不同AgNPs涂层的碳毡作为阴极催化剂。MFC的阳极室采用粘土基陶瓷圆柱体，阴极和阳极分别使用特定厚度的碳毡。
3. 真菌菌株的分离与鉴定：从MFC阴极表面刮取真菌菌株，通过稀释和培养技术分离出单一真菌菌落。
4. 抗生物污垢和群体感应抑制（Quorum Quenching, QQ）活性的量化：通过琼脂扩散法和体外生物测定法，测试AgNPs对真菌孢子生长的抑制效果以及QQ活性。
5. AgNPs的表征：使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术对AgNPs的形貌、结构和功能基团进行分析。
6. 抗氧化剂和生物活性化合物的鉴定：通过液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术，鉴定AgNPs中的抗氧化剂和生物活性化合物。
7. MFC的电性能测试：通过循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）等技术，评估AgNPs作为阴极催化剂的电化学性能。
8. 废水处理与能量回收：通过测定MFC的化学需氧量（COD）去除效率和库仑效率（CE），评估AgNPs在废水处理中的应用效果。

主要结果
1. AgNPs的合成与表征：成功合成了芦荟和藻类衍生的AgNPs，其形貌主要为八面体和球形，平均粒径分别为50.7 nm和32.0 nm。XRD和FTIR分析证实了AgNPs的晶体结构和功能基团。
2. 抗生物污垢活性：藻类衍生的AgNPs在10 mg/mL浓度下显示出最大的真菌抑制区域（18.8 mm），而芦荟和藻类AgNPs的混合物在5 mg/mL浓度下显示出24.5 mm的抑制区域，表明其具有更强的抗真菌活性。
3. QQ活性：通过体外生物测定法，发现AgNPs能够抑制色素产生菌株Chromobacterium violaceum的群体感应信号，表明其具有QQ活性。
4. MFC的电化学性能：使用芦荟和藻类AgNPs混合物的MFC（MFC-T3）显示出最高的功率密度（66.5 mW/m²），比未使用催化剂的对照组（MFC-C）高出5.6倍。MFC-T3的COD去除效率为85.2%，库仑效率为25.5%，均显著高于对照组。
5. 废水处理与能量回收：MFC-T3在废水处理中表现出更高的COD去除效率和库仑效率，表明AgNPs作为阴极催化剂能够显著提升MFC的废水处理能力和能量回收效率。

结论
本研究成功展示了绿色合成的AgNPs作为阴极催化剂和抗生物污垢剂在MFC中的应用价值。通过使用芦荟和藻类合成的AgNPs，MFC的功率密度和废水处理效率均得到显著提升。此外，AgNPs的抗真菌和QQ活性进一步抑制了阴极表面的生物膜生长，从而提高了MFC的整体性能。本研究为开发低成本、环保的MFC催化剂提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点
1. 绿色合成AgNPs：本研究采用芦荟和藻类作为还原剂和稳定剂，成功合成了AgNPs，避免了传统化学合成方法的有害副产物。
2. 双功能催化剂：AgNPs不仅作为阴极催化剂提升了MFC的电化学性能，还通过抗生物污垢和QQ活性抑制了阴极表面的生物膜生长。
3. 高效废水处理：使用AgNPs的MFC在废水处理中表现出更高的COD去除效率和库仑效率，展示了其在能源回收和废水处理中的双重应用价值。
4. 低成本与环保：绿色合成的AgNPs具有低成本和高环境友好性，为MFC的实际应用提供了可行的解决方案。

其他有价值内容
本研究还通过LC-MS/MS和GC-MS技术鉴定了AgNPs中的多种抗氧化剂和生物活性化合物，如黄酮类、酚类化合物和脂肪酸等。这些化合物不仅参与了AgNPs的合成过程，还增强了其抗真菌和QQ活性。此外，本研究还进行了技术经济评估，表明绿色合成的AgNPs具有较高的成本效益，为其大规模应用提供了理论支持。