基于三维生物膜电极的难生化有机化工废水处理研究进展

近年来,难降解有机化工污染物在自然水体中被广泛检出,对水生态环境和人体健康构成了严重威胁。生物膜电极技术因具备环境友好、去除效率高、适用范围广等优点,在难降解污染物处理领域应用前景日渐广阔。对此,介绍了三维生物膜电极(3D-BERs)反应器构建方法,阐述了三维生物膜电极对有机污染物的降解机理,分析了电化学催化氧化与电活性微生物(EAMs)的协同降解作用,从电子迁移强化角度解析了污染物强化降解机制,并概述了3D-BERs的构建方法与运行参数对反应器效率的影响。本文系统综述了3D-BERs在难生化有机化工废水处理领域中的应用与优势,提出了三维生物膜电极技术的发展前景和今后研究工作的重点方向,为难生化有机化工废水的高效处理提供新思路与技术选择。

电活性微生物基因编辑与转录调控技术进展与应用

电活性微生物通过胞外电子传递通路与胞外电子受体/供体进行双向电子交换,产生或吞噬电流。电活性微生物已广泛应用于微生物电化学技术领域,涵盖了元素的生物地球化学循环、环境污染的生物处理与电能生产、生物传感、微生物冶金以及化学品的微生物电合成等多个领域,成为全球环境保护和低碳经济的研究热点。然而,这些微生物在实际应用中仍面临较大局限,如微生物燃料电池的输出功率密度存在一定的上限、微生物电合成技术中的CO_(2)还原速率尚未达到理想水平等。为了克服这些限制性因素,需要通过高效的基因编辑和转录调控策略来改变电活性微生物的遗传特性,提高其双向电子传递效率。本文首先总结了模式电活性微生物(希瓦氏菌和地杆菌)和其他代表性电活性微生物的基因编辑方法和利用CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeat)技术实现转录调控的策略。在基因编辑方面,涵盖了(CRISPR辅助的)同源重组、碱基编辑等方法;而在转录调控方面,包括了CRISPR介导的抑制和激活。此外,对于多基因编辑和调控的策略也进行了深入探讨。其次,综述了这些技术在环境、能源领域中的应用,包括微生物燃料电池、污染物生物处理和修复等。最后,讨论了目前电活性微生物工程改造所面临的挑战和未来的发展方向。

微生物电化学技术原理及其在畜禽废弃物资源化领域的应用研究进展

畜禽养殖集约化生产过程中排放的废弃物会对当地生态环境造成巨大压力。通过硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)小分子酸代谢、奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)有氧无氧代谢、导电菌毛(electrically conductive pili)直接接触和电子穿梭物质介导的胞外电子传递等呼吸代谢的理论研究,明确了电活性模式微生物的中心碳代谢途径、胞外电子传递过程及主要调控机制。基于对电活性菌呼吸代谢过程的理解,已开发并优化了以微生物燃料电池、微生物电解池和电场辅助好氧堆肥为主的多种微生物电化学系统。在降低化学需氧量、温室气体排放、抗生素和耐药基因等有害物质含量的同时,提高发电效率、阴极高附加值产物和有机肥腐殖质含量。综述了微生物电化学理论的研究进展并系统介绍了微生物电化学技术在畜禽废弃物资源化方面的应用研究,以期为畜禽废弃物资源化利用工艺的多元化发展提供参考和理论支撑。

间歇通电改善微生物电解池辅助的餐厨垃圾和菌糠的嗜热厌氧共消化

1研究亮点*电活性微生物在间歇性通电18 h-ON时富集;*与底物和丙酮酸代谢相关的基因在18 h-ON中上调;*18 h-ON增强了氢营养产甲烷途径;*18 h-ON的净能量效益和能量转换效率最高。2背景餐厨垃圾与菌糠分别是城市和农业固体废物的重要组成部分。餐厨垃圾与菌糠的厌氧共消化比单独使用餐厨垃圾作为厌氧消化(AD)的底物更能平衡营养成分且具有更高的稳定性。但菌糠用作厌氧消化的共基质通常存在水解速度慢、产甲烷效率低的问题。

电活性菌藻生物膜强化人工湿地处理水产养殖废水的小试研究

人工湿地(CW)处理鱼塘养殖废水存在处理效率低、稳定性差等问题。本研究采用电活性菌藻生物膜(BA)以微生物燃料电池(MFC)形式强化CW处理鱼塘养殖废水,即BA-MFC-CW。与CW组相比,BA-MFC-CW组对COD、总磷、总氮的去除率分别提高了26.69%、23.17%、16.67%。相比MFC-CW组,BA-MFC-CW组对COD、总磷、总氮去除率分别提高了0.95%、25.64%、6.48%。高通量测序表明,在电活性菌藻生物膜中,Acinetobacter、Cyanobium、Pseudomonas和Ottowia得到富集;在MFC阳极上,Geobacter、Aminicenantales和Clostridium生长状况良好。以上结果表明,电活性菌藻生物膜技术能够有效提高人工湿地处理水产养殖废水的效果。

生物活性压电陶瓷在植骨材料的研究进展

目前临床上的植骨材料在使用中有着一定的局限性,例如生物活性不足、骨折不愈合、成骨量有限、材料降解速度与组织生长不匹配等问题。研究具备成骨性能的新型生物活性骨修复材料是目前骨组织工程领域研究的热点和重点之一。介绍了CaTiO_(3)、BaTiO_(3)基无铅压电陶瓷、[(K,Na)NbO_(3)]基(KNN基)无铅压电陶瓷及LiNbO3作为植骨材料的研究进展。生物压电陶瓷有着较好的细胞相容性和组织相容性,具有成为骨替代物的潜力。

邻苯二甲酸二丁酯对电活性生物膜性能影响及机制

为进一步探究生物电化学系统(BES)处理市政污水的效能,研究了新兴污染物邻苯二甲酸二丁酯(DBP)对电活性生物膜(EAB)的影响和作用机制。采用电化学工作站、扫描电子显微镜、共聚焦激光扫描显微镜、高通量测序等方法,研究DBP质量浓度对EAB电化学活性、主要成分、微观形态、空间结构以及微生物群落结构的影响。结果表明:在高质量浓度DBP(10 mg/L)条件下,BES的最高输出电压和功率密度分别为0.24 V和113.34 mW/m^(2);较低质量浓度DBP(1 mg/L)条件下,BES的最高输出电压和功率密度分别下降33.33%和31.47%,两者均低于空白对照组。生物膜中的蛋白和多糖成分的测定结果表明,高质量浓度DBP会刺激β-多糖的分泌,并在激光共聚焦图像上表现出强烈的蓝色信号,而蛋白和α-多糖的含量没有显著变化。对不同DBP质量浓度下的EAB进行微生物群落分析的结果显示,Petrimonas和Aquamicrobium菌是高质量浓度DBP条件下的优势菌群,而DBP会降低EAB的电化学活性,在对照组的EAB中,典型的电活性菌Rhodopseudomonas和Rhodococcus占据主导地位。

组织工程研究中的电活性生物材料

背景:多项研究证明人体组织与生物电有着密切的联系,因此深入研究材料在细胞和组织电学微环境建立方面的研究是实现缺损组织完美修复与再生的突破点。目的:综述电活性生物材料在组织工程研究领域的应用。方法:利用计算机检索Wiley Online Library、Web of Science、CNKI及万方数据库2006年1月至2019年3月期间发表的关于电活性生物材料(导电聚合物,压电材料,碳基材料)在组织工程研究及应用中的文章。中文检索词为“电活性生物材料,导电聚合物,压电材料,碳基材料,组织工程”,对应的英文检索词为“electroactive biomaterials,composite materials,piezoelectric materials,carbon-based materials,tissue engineering”。结果与结论:电活性生物材料具备一定的生物相容性及良好的信号传导能力,可弥补现今生物材料在调控细胞分化和组织再生方面的缺陷,在组织工程领域具有良好的应用前景,但其存在诸如降解性能较差、力学性能欠佳等缺点,制约了其应用。因此需充分掌握电活性生物材料的特性及优缺点,才能使之最大限度地仿生天然组织的结构和功能,为细胞分化和组织再生提供良好的电生理微环境,最终智能地调控细胞分化与组织再生。

电活性菌藻膜耦合虹吸曝气技术处理海水养殖废水

人工湿地耦合微生物燃料电池(constructed wetland-microbial fuel cell,CW-MFC)被广泛应用于低碳氮比水产养殖废水处理。然而,高盐度抑制限制了其在海水养殖废水处理中的应用。针对高盐抑制,该研究利用海水底泥和海洋微藻构建电活性菌藻生物膜并结合虹吸曝气技术强化CW-MFC处理海水养殖废水。相比CW-MFC,强化系统对化学需氧量、总磷、总氮、磺胺甲恶唑、Cu^(2+)的去除率分别提高33.46%,31.07%、25.64%、12.03%、24.25%。高通量测序显示,硝化和反硝化细菌Marinobacter、Muricauda、Xanthomarina生长状况良好;在MFC阳极和电活性菌藻生物膜表面,胞外呼细菌Geobacteraceae和Pseudomonas以及海洋微藻细菌Pseudooceanicola和Hoeflea被显著富集。研究结果表明,电活性菌藻生物膜耦合虹吸曝气技术可以有效提高CW-MFC系统处理海水养殖废水的效能。

合成生物学方法改造电活性生物膜研究进展

电活性生物膜是由电能细胞分泌的胞外多糖、蛋白、胞外DNA(extracellular DNA,eDNA)、菌毛等成分聚集,与细胞本身相互交联形成的导电多聚体。以多菌群落形态展现,在微生物燃料电池、微生物电合成、高值化学品生产、重金属污染处理、医疗等领域中具有至关重要的作用,是微生物电催化系统研究的核心之一。但自然状态下的电活性生物膜因厚度、结构稳定性、生物量等因素的限制,严重制约了电子传递效率。综述了近五年利用合成生物学改造电活性生物膜的研究进展,系统探讨了工程生物膜的构建、结构成分、导电性能以及应用,为将来进一步实现高效电催化奠定基础。

邻苯二甲酸酯对电活性生物膜性能潜在影响机制

为了进一步了解邻苯二甲酸酯(PAEs)类物质对电活性生物膜(EABs)的毒性作用,在总结目前自然水体和废水处理系统中PAEs浓度分布的基础上,分析了PAEs等毒害物质对生物膜的影响机制,指出PAEs对EABs性能的潜在影响机制主要包括影响电活性微生物的定殖、EABs的演替及EABs的功能三方面。

电活性生物质诱导下不同形貌二硫化钼基复合材料的可控制备及其电化学性能研究

以钼酸钠、硫脲和电活性生物质(单宁酸和木质素磺酸钠)为原料,通过一步水热法制备二硫化钼(MoS_(2))基纳米材料,并对其形貌和电化学性能进行了研究。结果表明:单宁酸(TA)和木质素磺酸钠(Lig)可作为二硫化钼的形貌调控剂以获得球花状二硫化钼(MoS_(2)-TA)和镂空网络状二硫化钼(MoS_(2)-Lig)纳米材料;所制备的MoS_(2)-Lig和MoS_(2)-TA的比电容值分别为163.6 F·g^(−1)和98 F·g^(−1),明显高于纯MoS_(2)(72 F·g^(−1));镂空网络状的MoS_(2)-Lig不仅拥有更优异的比电容值,还表现出较好的倍率性能和循环稳定性;用电活性生物质材料作为二硫化钼的形貌调控剂能有效提高二硫化钼电化学性能。

哈尔滨工业大学微生物燃料电池研究团队

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)是一种环境友好型生物技术,利用电活性微生物消耗有机物并将代谢的电子传递至胞外阳极。MFCs运行无需额外曝气,具有很强的环境适应性,阳极室有机物降解速率快、矿化彻底,无需后续污泥处理流程,也可以同时处理阴极污染物,是一种具有重要应用前景的污水处理和同步产能技术。然而微生物-电极微观界面复杂,严重影响能量转化效率,导致现有MFCs阳极的输出功率仍然远低于其理论值。

利用微生物电解池构建新型BOD快速测定生物传感器

基于微生物电解池构建了新型生化需氧量(BOD)快速测定生物传感器,以葡萄糖-谷氨酸溶液为模拟废水对传感器的性能进行了评估。结果表明:(1)当外加电压保持为0.7 V,传感器的最大电流与BOD浓度在10~400 mg×L^(-1)内符合Monod方程,且传感器的最大电流和BOD浓度在10~100 mg×L^(-1)呈线性关系;(2)传感器的测量时间短,BOD浓度在10~400 mg×L^(-1)测量时间约为10 min;(3)传感器的重复性(±SD<±12.2%,n=6)和稳定性(±SD<±6%,12 d)好。结论:基于微生物电解池开发新型BOD生物传感器是可行的,且传感器具有灵敏度高、线性范围宽、检测时间短、重复性及稳定性好等优点,并能快速测定BOD。

电能细胞的合成生物学设计构建

电能细胞具有与外界环境进行双向电子交换的能力,包括向外界环境释放电子的产电细胞,以及从外界环境获取电子的噬电细胞,在微生物电化学系统中发挥微生物电催化剂的核心作用。以电能细胞为核心的微生物电化学系统在生态环境治理、绿色能源开发、化学品高效合成等方面有着广泛应用。但是野生电能细胞因其摄取底物能力弱、胞内电子通量小、双向跨膜电子传递效率低、生物膜形成能力差等原因,化学能到电能的双向转化效率受到极大限制,是实现微生物电化学系统大规模产业化应用的核心瓶颈。本综述聚焦近5年电能细胞合成生物学改造的最新研究进展,通过分析双向电子传递的分子机制,分类汇总产电细胞和噬电细胞的合成生物学改造策略:(1)工程产电细胞(强化产电细胞的胞内电子生成、胞外传递效率,具体为拓宽底物谱、增强还原力转化,提高胞外传递能力、促进电极生物膜形成);(2)工程噬电细胞(强化噬电细胞胞外电子摄取、还原力转化、产物合成效率,包括提高噬电细胞电子摄取和还原力转化,调控细胞代谢路径电合成化学品和生物燃料)。最后,展望了未来高效电能细胞和微生物电化学系统的设计与构建。

微生物电化学技术去除水体中抗生素的研究进展

抗生素在各个行业中的广泛使用及其难降解性导致其富集进入水体而危害人类健康,越来越多的研究聚焦于水体中抗生素的去除。微生物电化学系统(BES)结合有机质生物降解和电信号刺激有效加速了废水中各类抗生素的去除。在现有文献的基础上,综述了BES对于各类抗生素去除的性能,阐述了BES系统在降解抗生素时,电极表面的电活性微生物组成、抗生素的微生物电化学代谢途径,总结了抗生素在BES系统中去除的影响因素,分析了各类传统废水处理技术与BES耦合技术对于抗生素的去除效率,并对BES在抗生素去除中的优缺点进行了总结。

底物浓度对微生物电解池阳极膜形成影响

通过改变乙酸底物浓度(10、15、20、25 g/L)在35℃培养温度下运行单室微生物电解池(MEC),研究底物浓度对形成阳极生物膜影响。分析了不同条件下MEC阳极产电效果、氢气产率以及进一步的膜生物量。结果表明,在阳极膜形成过程中,随着底物浓度增加,电流先增高随后有所下降;产氢特性试验中,底物浓度在15~25 g/L范围内形成MEC阳极膜都具有产氢能力,但随浓度升高,氢气产率下降;循环伏安法测试阳极膜电化学活性得出产电效果与循环伏安图中氧化峰值电流呈正相关;对比膜生物量测定,产电和产氢效果最好的15 g/L实验组阳极膜微生物含量达4.04×10~6/mL,并且阳极膜磷含量与循环伏安氧化峰值电流正相关性。综上,底物浓度在15~20 g/L范围内有利于快速高效形成具有产氢能力的MEC阳极膜,为MEC阳极膜培养提供参考。

纳米材料介导微生物胞外电子传递过程的研究进展

微生物胞外电子传递(EET)过程在自然界中普遍存在,并且在能源利用和环境修复等方面具有广阔的应用前景,但是低效的电子传递一直是其在实际应用中的关键瓶颈。纳米材料具有独特的表面效应、体积效应、量子尺寸及宏观量子隧道效应等性质,引入纳米材料与电活性微生物相结合实现优势互补,可以缩短电荷转移路径,从而提高EET效率。本文综述了EET方式,以及纳米材料的电子转移能力、氧化还原电势、表面结构与性质、生物相容性及纳米材料-微生物的界面构筑对EET过程的影响,重点阐述了纳米材料与电活性微生物界面构筑的各种策略,并讨论了这些策略的适用性和局限性,最后展望了纳米材料强化电活性微生物EET的未来研究方向。

生物工程强化微生物电合成转化CO2的研究进展

微生物电合成(Microbial electrosynthesis,MES)可直接利用电能驱动微生物还原固定CO2合成多碳化合物,为可再生新能源转化、精细化学品制备和生态环境保护提供新机遇。但是,微生物吸收胞外电极电子速率慢、产物合成效率低和产品品位不高,限制了MES实现工业化应用。在概述阴极电活性微生物吸收胞外电子的分子机制的基础上,重点综述近5年应用生物工程的理论和技术强化MES用于CO2转化的策略与研究进展,包括改造和调控胞外电子传递通路和胞内代谢途径以及定向构建有限微生物混合培养菌群三方面,阐明了生物工程可有效突破MES中电子传递慢和可用代谢途径相对单一等瓶颈。针对目前生物工程在改进MES所面临的主要问题,从胞外电子传递机理研究、基因工具箱开发、组学技术与现代分析技术联用等角度展望了今后的研究方向。

微生物种间直接电子传递方式耦合产甲烷研究进展

厌氧产甲烷体系中细菌与产甲烷菌之间的电子传递,一直以来被认为是通过种间H2/甲酸转移来实现。然而,近年来研究发现某些电活性微生物与产甲烷菌之间存在可替代种间H2/甲酸转移以实现电子传递的种间直接电子传递(direct interspecies electron transfer,DIET)。通过DIET方式,产甲烷菌可从与其共生的微生物中直接获得的电子还原CO2产甲烷,该方式极大地提高产甲烷的效率和产甲烷的量。但是,目前对DIET方式耦合产甲烷还缺乏深入研究。文章对DIET方式耦合还原CO2产甲烷的研究现状进行了概述,重点分析了DIET方式耦合还原CO2产甲烷研究存在的问题,并讨论了其今后研究方向,以为DIET方式耦合还原CO2产甲烷研究提供参考。