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主要作者及研究机构
本研究由Xiayuan Wu、Xiaomin Xiong、Gary Owens、Gianluca Brunetti、Jun Zhou、Xiaoyu Yong、Xinxin Xie、Lijuan Zhang、Ping Wei和Honghua Jia等人共同完成。研究团队主要来自南京工业大学生物技术与制药工程学院生物能源研究所（Bioenergy Research Institute, College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing, China）以及南澳大利亚大学未来工业研究所环境污染物研究组（Environmental Contaminants Group, Future Industries Institute, University of South Australia, Mawson Lakes, South Australia, Australia）。该研究发表于《Bioresource Technology》期刊，2018年8月22日在线发布。
学术背景
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是一种将有机废物中的化学能通过细菌催化转化为电能的技术，在可再生能源生产、废水处理和生物传感器等领域具有广阔的应用前景。然而，MFC的低功率输出是其实际应用的主要障碍之一。阳极作为外电菌附着和电子转移的主要场所，其材料特性对MFC的功率生成具有重要影响。近年来，通过纳米工程技术对传统碳基材料进行修饰被认为是一种有效的方法，能够促进微生物与阳极之间的电子转移。纳米材料如多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）和金属纳米颗粒因其显著的结构、电学和化学特性，被广泛应用于阳极修饰。然而，生物合成的金纳米颗粒（Biogenic Gold Nanoparticles, BioAu）在MFC阳极修饰中的应用尚未得到充分研究。本研究旨在通过使用BioAu及其与MWCNTs的纳米杂化材料（BioAu/MWCNT）修饰碳布阳极，提升MFC的性能，并探讨阳极纳米修饰对微生物群落结构的影响。
研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
1. BioAu粉末的制备
使用Shewanella oneidensis MR-1菌株在厌氧条件下通过还原Au(III)离子生成BioAu。菌株在LB培养基中培养14小时后，通过离心收集细胞，并在含有Au(III)的M9/LB混合培养基中反应24小时。反应后，通过高速离心和NaOH处理去除残留的细菌细胞和胞外聚合物，最终获得BioAu粉末。
2. 电极制备
使用碳布作为基底材料，通过HNO3预处理去除杂质。随后，将碳布浸泡在聚四氟乙烯（PTFE）溶液中以提高修饰剂的负载量。BioAu和BioAu/MWCNT修饰剂分别与Nafion溶液混合制成浆料，均匀涂覆在碳布表面，经过洗涤和干燥后，分别制成BioAu电极和BioAu/MWCNT电极。
3. MFC构建与运行
构建双室MFC，阳极室接种城市污水处理厂的厌氧消化污泥，阴极室使用铁氰化钾溶液作为阴极液。MFC在恒温条件下以批处理模式运行，外部电阻为1000Ω。
4. 性能分析与表征
通过电压记录、极化曲线、循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）和电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）等方法，评估MFC的电化学性能。此外，使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）对电极表面形貌和元素组成进行表征，并通过生物量蛋白测定评估电极上的生物膜量。
5. 微生物群落分析
在实验结束后，从电极上刮取生物膜，提取总基因组DNA，通过高通量测序技术分析微生物群落的组成和多样性。
主要结果
1. 电极表征
SEM和EDS分析显示，BioAu/MWCNT电极表面覆盖均匀分布的纳米复合材料，形成了粗糙且高比表面积的纤维网络结构，有利于细菌附着和电子转移。
2. MFC性能
BioAu/MWCNT电极表现出最短的启动时间（6.74天）和最高的功率密度（178.34 ± 4.79 mW/m²），分别比未修饰电极缩短了141.69%和提高了56.11%。CV和EIS分析表明，BioAu/MWCNT电极具有优异的电催化活性和较低的电荷转移电阻。
3. 微生物群落分析
高通量测序结果显示，BioAu修饰显著增加了电活性细菌（Electroactive Bacteria, EAB）的相对丰度，尤其是Gammaproteobacteria和Negativicutes类群的细菌。Negativicutes可能对金纳米颗粒具有特异性吸附作用。
结论
本研究首次探讨了BioAu及其与MWCNTs的纳米杂化材料在MFC阳极修饰中的应用。结果表明，BioAu修饰显著提升了MFC的功率输出，尤其是BioAu/MWCNT电极表现出最佳性能。其优异的电催化活性和对电活性细菌的强亲和力是性能提升的主要原因。此外，BioAu修饰还诱导了微生物群落的结构变化，增加了电活性细菌的丰度。该研究为高效生物电极的制备提供了新思路，具有重要的科学和应用价值。
研究亮点
1. 首次将生物合成的金纳米颗粒（BioAu）应用于MFC阳极修饰，并验证了其提升功率输出的有效性。
2. 开发了BioAu/MWCNT纳米杂化材料，显著改善了电极的电化学性能和生物相容性。
3. 通过高通量测序技术揭示了BioAu修饰对微生物群落结构的影响，为理解MFC性能提升的机制提供了重要依据。
4. 研究为利用微生物合成纳米材料修饰电极提供了新方法，具有环保和可持续性的优势。
其他价值
该研究不仅为MFC的性能优化提供了新策略，还为生物电化学系统（Bioelectrochemical Systems, BES）中电极材料的选择和开发提供了重要参考。此外，研究结果在废水处理、能源生产和生物传感器等领域具有潜在的应用前景。
以上报告详细介绍了该研究的背景、方法、结果和意义，旨在为其他研究人员提供全面的参考。