分享自:

混合菌群生物合成硫化铁纳米颗粒在微生物燃料电池中的应用

期刊:Bioresource TechnologyDOI:10.1016/j.biortech.2020.124095

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的详细介绍:

一、研究作者及发表信息

该研究由Yan CuiXueru ChenZhengyong PanYuqi WangQiang XuJiaying BaiHonghua JiaJun ZhouXiaoyu YongXiayuan Wu共同完成,他们均来自南京工业大学的生物技术与制药工程学院。研究发表于Bioresource Technology期刊,于2020年9月7日在线发布。

二、学术背景

该研究的主要科学领域为微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC),旨在通过混合菌群原位合成硫化铁纳米颗粒(Iron Sulfide Nanoparticles),以增强MFC中的细胞外电子传递(Extracellular Electron Transfer, EET)效率。背景知识包括硫化铁纳米颗粒的合成及其在MFC中的应用,尤其是其作为天然电导线和电催化剂的潜力。研究的目标是验证混合菌群在长期(46天)运行条件下原位合成硫化铁纳米颗粒的可行性,并探讨其对MFC性能的提升作用。

三、研究流程

研究分为以下几个步骤:

  1. MFC的构建与运行

    • 使用双室MFC,阳极和阴极均为石墨毡电极。
    • 阳极接种物来自南京江心洲污水处理厂的厌氧消化污泥。
    • 阳极液和阴极液分别为含葡萄糖和铁氰化钾的磷酸盐缓冲溶液。
    • MFC在30°C下以批次模式运行,外部电阻为1000欧姆。
  2. 硫化铁纳米颗粒的生物合成

    • 在阳极成熟后,向阳极液中添加氯化铁和硫代硫酸钠作为铁和硫的来源。
    • 实验组(“Fe + S”组)与对照组(无铁和硫添加)进行比较,共进行12个循环,每个循环4天。
  3. 电化学与生化分析

    • 使用数据采集系统记录MFC的电压。
    • 通过线性扫描伏安法(LSV)测量极化和功率密度曲线。
    • 使用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)评估阳极的电化学特性。
    • 测定阳极液中总铁、Fe(III)和Fe(II)的浓度,以及化学需氧量(COD)。
  4. 生物膜和生物合成沉淀物的表征

    • 使用场发射扫描电子显微镜(FESEM-EDS)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对生物膜和沉淀物进行表征。
    • 通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)评估生物膜的细胞活性。
  5. 微生物群落分析

    • 在实验结束时,收集阳极生物膜进行16S rRNA基因高通量测序,分析微生物群落结构。

四、主要结果

  1. 电化学行为

    • “Fe + S”组MFC在第12个循环时达到最大电压675.00 mV,显著高于对照组的509.57 mV。
    • “Fe + S”组MFC的最大功率密度为519.00 mW/m²,是对照组的1.92倍。
    • CV和EIS分析表明,“Fe + S”组阳极的双层电容更大,电荷转移电阻更低,表明EET效率更高。
  2. 硫化铁纳米颗粒的生物合成与特性

    • 实验组阳极液中Fe(II)浓度从第5个循环开始趋于稳定,Fe(III)还原率高达80.96-91.19%。
    • 沉淀物的平均粒径为29.97 ± 7.1 nm,主要由FeS和FeS₂组成,结晶度较低。
    • FESEM和TEM图像显示,纳米颗粒均匀分布在生物膜表面,形成了导电的“壳”结构。
  3. 生物膜活性

    • 少量硫化铁纳米颗粒促进了生物膜的细胞活性,但过厚的纳米颗粒“壳”会抑制细胞代谢。
    • 实验组生物膜的内层细胞活性和生物量高于对照组,但外层细胞活性较低。
  4. 微生物群落

    • 实验组生物膜中,ProteobacteriaFirmicutes的比例显著增加,特别是EnterobacteriaceaeDesulfovibrioGeobacter等电活性菌和硫还原菌被特异性富集。

五、结论

该研究首次证明了混合菌群在MFC中原位合成硫化铁纳米颗粒的可行性。这些纳米颗粒显著提升了EET效率和MFC的发电性能。研究还发现,纳米颗粒的形成促进了某些电活性菌和硫还原菌的富集,进一步优化了MFC的性能。这一研究为通过原位纳米材料生物合成提高生物电化学系统性能提供了新的思路。

六、研究亮点

  1. 重要发现:混合菌群原位合成的硫化铁纳米颗粒显著提升了MFC的EET效率和发电性能。
  2. 方法创新:首次在长期运行条件下利用混合菌群合成硫化铁纳米颗粒,并系统评估了其对MFC性能的影响。
  3. 研究对象的特殊性:通过混合菌群而非单一菌种进行纳米颗粒合成,更接近实际应用场景。

七、其他有价值的内容

研究还探讨了纳米颗粒对生物膜细胞活性和微生物群落结构的影响,为理解纳米材料与微生物之间的相互作用提供了新的视角。此外,研究结果对MFC在实际废水处理和能源回收中的应用具有重要指导意义。

上述解读依据用户上传的学术文献,如有不准确或可能侵权之处请联系本站站长:admin@fmread.com