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微生物电解池催化CO_(2)电转化为甲烷:影响因素、电子传递和展望
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作者 王佳懿 陆雪琴 甄广印 《环境化学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期393-404,共12页
化石燃料作为能源供应的主要来源,燃烧导致大量CO_(2)的释放和温室效应,CO_(2)的捕获和再利用越来越受到人们的关注.微生物电解池(MEC)作为一种新的CO_(2)再利用技术,可通过将电活性微生物与电化学刺激相结合,将CO_(2)通过生物电化学作... 化石燃料作为能源供应的主要来源,燃烧导致大量CO_(2)的释放和温室效应,CO_(2)的捕获和再利用越来越受到人们的关注.微生物电解池(MEC)作为一种新的CO_(2)再利用技术,可通过将电活性微生物与电化学刺激相结合,将CO_(2)通过生物电化学作用回收为低碳燃料(如CH_(4)),从而实现CO_(2)固定和能量回收.尽管近年来MEC领域有较多研究,但仍然存在许多问题阻碍了该技术的规模化和产业化.本文梳理了CO_(2)电化学产甲烷的工作原理、性能影响的关键因素、生物阴极电活性功能微生物及其胞外电子传递机制、电催化耦合技术的最新研究进展,提出了MEC辅助CO_(2)电甲烷化技术的未来研究需求和挑战. 展开更多
关键词 微生物电解池(MEC) CO_(2)电甲烷化 阴极材料 电活性功能菌 胞外电子传递机制
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聚多巴胺功能化大肠杆菌生物电催化剂的构建及其氧还原性能
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作者 白正宇 邢宝凤 牛洋娣 《河南师范大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2023年第5期30-36,F0002,共8页
细胞外电子传递(Extracellular Electron Transport,EET)能力是影响微生物电催化剂催化活性的关键因素,然而,缓慢的生物-非生物界面EET效率严重限制了微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)中阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reacti... 细胞外电子传递(Extracellular Electron Transport,EET)能力是影响微生物电催化剂催化活性的关键因素,然而,缓慢的生物-非生物界面EET效率严重限制了微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)中阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)的生物电催化性能.通过在单个大肠杆菌(E.coli)细胞表面原位包覆共轭导电聚多巴胺(PDA)功能性涂层,有效提高了微生物细胞的界面导电性和黏附性,并且不影响其生物活性.与天然的大肠杆菌相比,经过PDA修饰的大肠杆菌作为ORR的生物电催化剂时,EET效率显著提高,实现了更大的ORR电催化活性,氧还原电流密度达到2.62 mA·cm^(-2).此外,采用PDA修饰的大肠杆菌作为生物阴极组成的MFC的最大输出功率密度达到95.3μW·cm^(-2),与天然的大肠杆菌相比提高了1.14倍.研究结果表明,共轭导电聚合物PDA具有氨基、酚基等亲水基团,可以提高底物的亲水性,还具有醌基可以加速细胞外呼吸过程中的电子转移,利用其修饰细菌可以赋予细菌更多的额外功能,例如导电性和黏附性,进而有效提高其电催化性能,为制备高活性生物电催化材料以及提高MFC的产电性能提供了一种有前途的策略. 展开更多
关键词 生物电催化剂 细胞外电子传递 氧还原反应 功能性涂层 微生物燃料电池
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微生物胞外呼吸电子传递机制研究进展 被引量:32
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作者 马晨 周顺桂 +1 位作者 庄莉 武春媛 《生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第7期2008-2018,共11页
胞外呼吸是近年来发现的新型微生物厌氧能量代谢方式,主要包括铁呼吸、腐殖质呼吸与产电呼吸3种形式。微生物胞外呼吸与传统的有氧呼吸、胞内厌氧呼吸存在显著差异。其电子受体多以固态形式存在于胞外;氧化产生的电子必须通过电子传递... 胞外呼吸是近年来发现的新型微生物厌氧能量代谢方式,主要包括铁呼吸、腐殖质呼吸与产电呼吸3种形式。微生物胞外呼吸与传统的有氧呼吸、胞内厌氧呼吸存在显著差异。其电子受体多以固态形式存在于胞外;氧化产生的电子必须通过电子传递链从胞内转移到细胞周质和外膜,并通过外膜上的细胞色素c、纳米导线或自身产生的电子穿梭体等方式,最终将电子传递至胞外的末端受体。胞外呼吸的本质问题是微生物与胞外电子受体(铁/锰氧化物、固态电极或腐殖质等)的相互作用,即微生物如何将胞内电子传递至胞外受体。胞外呼吸的研究丰富了人们对微生物呼吸多样性的认识,同时在污染物原位修复及清洁生物能源提取方面具有重要应用前景,是当前研究的热点问题。总结了胞外呼吸类型和胞外呼吸菌的多样性,重点阐述了胞外呼吸的电子传递过程,并提出了其应用前景及今后的研究方向。 展开更多
关键词 胞外呼吸 电子传递链 细胞色素C 细胞外膜
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微生物燃料电池系统中氧化还原介体的研究 被引量:1
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作者 孙彩玉 邸雪颖 +2 位作者 李永峰 谢静怡 赵津竺 《安徽农业科学》 CAS 2013年第29期11806-11808,11811,共4页
论述了微生物燃料电池电子传递过程中氧化还原介体的种类、特性,其包括外源性氧化还原介体(人造介体和天然存在介体)和内源性氧化还原介体(主要是指微生物自身产生的介体),并综述了氧化还原介体在不同微生物燃料点电池中的应用及其特性... 论述了微生物燃料电池电子传递过程中氧化还原介体的种类、特性,其包括外源性氧化还原介体(人造介体和天然存在介体)和内源性氧化还原介体(主要是指微生物自身产生的介体),并综述了氧化还原介体在不同微生物燃料点电池中的应用及其特性,为其在提高生物降价等方面提供了参考和研究方向。 展开更多
关键词 微生物燃料电池 电子传递 氧化还原介体
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Algal biomass derived biochar anode for efficient extracellular electron uptake from Shewanella oneidensis MR-1 被引量:1
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作者 Yan-ShanWang Dao-Bo Li +2 位作者 Feng Zhang Zhong-Hua Tong Han-Qing Yu 《Frontiers of Environmental Science & Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2018年第4期109-117,共9页
The development of cost-effective and highly efficient anode materials Ibr extracellular electron uptake is important to improve the electricity generation ofbioelectrochemical systems. An effective approach to mitiga... The development of cost-effective and highly efficient anode materials Ibr extracellular electron uptake is important to improve the electricity generation ofbioelectrochemical systems. An effective approach to mitigate harmful algal bloom (HAB) is mechanical harvesting of algal biomass, thus subsequent processing for the collected algal biomass is desired. In this study, a low-cost biochar derived from algal biomass via pyrolysis was utilized as an anode material tbr efficient electron uptake. Electrochemical properties of the algal biochar and graphite plate electrodes were characterized in a bioelectrochemical system (BES). Compared with graphite plate electrode, the algal biochar electrode could effectively utilize both indirect and direct electron transfer pathways tbr current production, and showed stronger electrochemical response and better adsorption of redox mediators. The maximum current density of algal biochar anode was about 4.1 times higher than graphite plate anode in BES. This work provides an application potential for collected HAB to develop a cost-effective anode material for eff-cient extracellular electron uptake in BES and to achieve waste resource utilization. 展开更多
关键词 Algal biochar Anode material Electrochemical activity extracellular electron transport Waste resource utilization
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磁铁矿对奥奈达希瓦氏菌MR-1厌氧还原甲基橙性能的影响
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作者 刘鑫珍 李惠民 +5 位作者 赵刚 樊艳春 梅子奇 周雨柔 曾晓丽 胡春华 《微生物学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期2091-2103,共13页
【目的】在微生物对染料的厌氧还原转化过程中,前人研究发现磁铁矿可以作为胞外电子传递介质提高或降低染料的微生物还原速率,这两种截然不同的作用结果背后的作用机制仍亟待阐明。【方法】利用水热法合成磁铁矿,选择甲基橙作为微生物... 【目的】在微生物对染料的厌氧还原转化过程中,前人研究发现磁铁矿可以作为胞外电子传递介质提高或降低染料的微生物还原速率,这两种截然不同的作用结果背后的作用机制仍亟待阐明。【方法】利用水热法合成磁铁矿,选择甲基橙作为微生物胞外还原的典型偶氮染料,研究磁铁矿对奥奈达希瓦氏菌MR-1厌氧还原甲基橙(methyl orange,MO)的影响。【结果】研究发现磁铁矿对MO的降解表现出明显的浓度依赖性效应:同只添加细菌组相比,低浓度组(20−50 mg/L)MO的脱色效率提高了4.07%−10.64%,而高浓度组(100−200 mg/L)下降了3.92%−18.35%。进一步研究发现磁铁矿浓度变化对MO微生物还原的影响与染料在矿物表面的分配无关,主要体现在影响细胞表面形态、代谢活性和电子传递效率等方面。低浓度组ATP生成量提高了1.08%−7.65%,生成了0.033−0.051 mg/L Fe^(2+),而高浓度组ATP生成量降低了38.74%−60.14%,Fe^(2+)浓度增至0.091 mg/L。此外,外源Fe^(2+)的实验结果证明Fe^(2+)对MO的厌氧还原同样表现出低浓度(0.01−0.02 mg/L)促进,高浓度(>0.05 mg/L)抑制的影响趋势。【结论】低浓度磁铁矿未影响细菌细胞形态,提高了细胞代谢活性,体系中少量的溶解态Fe^(2+)有利于MO微生物还原,而高浓度磁铁矿则表现出相反的影响趋势。本研究为全面理解磁铁矿对胞外电子传递的影响及其在有机污染物还原转化中的应用提供了参考。 展开更多
关键词 磁铁矿 胞外电子传递 Fe^(2+) 甲基橙 厌氧还原
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基于电活性微生物的芳香烃类污染物转化机制研究进展 被引量:1
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作者 吴朵而 陈龙 +2 位作者 马香娟 丁养城 冯华军 《微生物学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期30-44,共15页
芳香烃类化合物(aromatic hydrocarbon compounds)是一类基于苯环结构的有机物,广泛分布在自然环境中,难以自然降解、易被生物积累,且有很大的环境危害性。生物法是有机化合物转化降解的主流工艺,而电活性微生物(electroactive microorg... 芳香烃类化合物(aromatic hydrocarbon compounds)是一类基于苯环结构的有机物,广泛分布在自然环境中,难以自然降解、易被生物积累,且有很大的环境危害性。生物法是有机化合物转化降解的主流工艺,而电活性微生物(electroactive microorganisms,EAM)因其独特的胞外电子传递(extracellular electron transfer,EET)能力和生理代谢模式在芳香烃类化合物污染修复领域具有巨大的应用潜力。电活性微生物可以通过还原脱卤、脱硝与氧化开环过程相结合的方式,最终实现芳香烃类污染物的降解矿化。本文重点综述了电活性微生物降解芳香烃类污染物过程中主要还原/氧化反应机理,归纳了电活性微生物高效还原脱卤、脱硝的关键酶活、代谢途径及转化机理,分析了不同含氧条件下电活性微生物开环方式及降解代谢途径,并通过调控微生物胞外聚合物与添加导电材料等途径来提升电活性微生物的胞外电子传递过程,总结了电极电位、电极材料、电解液性质及温度等环境因子对芳香烃类化合物降解的影响,探讨了芳香烃类污染物的强化生物降解策略的可行性。最后,展望了电活性微生物降解技术相关领域未来潜在的研究方向,以期为加快生物电化学系统的工程化应用提供理论和技术参考。 展开更多
关键词 电活性微生物 胞外电子传递 转化机制 芳香烃类污染物
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微生物种间直接电子传递机理及应用研究进展 被引量:1
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作者 姜杰 冯旗 +1 位作者 贺鹏宸 彭兆丰 《微生物学通报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第10期4694-4704,共11页
微生物胞内产生的电子转移到其他电子受体而获得能量的过程称为微生物胞外电子传递,其中,另一微生物作为电子受体时发生的电子传递称为微生物种间电子传递。根据微生物种间电子传递机制,可分间接种间电子传递和种间直接电子传递。由于... 微生物胞内产生的电子转移到其他电子受体而获得能量的过程称为微生物胞外电子传递,其中,另一微生物作为电子受体时发生的电子传递称为微生物种间电子传递。根据微生物种间电子传递机制,可分间接种间电子传递和种间直接电子传递。由于种间直接电子传递不需要其他物质介导,因此较间接种间电子传递效率更高、能量利用更高。本文系统阐述了微生物进行胞外电子传递的机理及应用,重点分析了种间直接电子传递机理,并概述种间直接电子传递应用领域,为寻找更多电连接的微生物群落以及应用微生物提供参考。 展开更多
关键词 微生物 胞外电子传递 种间直接电子传递 c型细胞色素 纳米导线
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生物滞留系统处理水产养殖尾水的效能和机制
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作者 张成才 丁筱蕃 +7 位作者 陈志宏 李林玲 郑政 金忠友 周彦 刘寿平 郭正浩 王书敏 《环境工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第7期2205-2214,共10页
为探究生物滞留系统(bioretention system,BS)对水产养殖尾水的处理效能,设计并构建倒置(inverted bioretention system,IBS)和正置(control bioretention system,CBS)2组生物滞留系统,在不同进水条件下比较了2种BS构建方式的运行效能,... 为探究生物滞留系统(bioretention system,BS)对水产养殖尾水的处理效能,设计并构建倒置(inverted bioretention system,IBS)和正置(control bioretention system,CBS)2组生物滞留系统,在不同进水条件下比较了2种BS构建方式的运行效能,通过胞外聚合物(EPS)、三维荧光光谱和电子传递活性(ETSA)等方法阐述了不同构建方式下BS的脱氮机制。结果表明:在不同进水条件下IBS的处理效能优于CBS,当运行间隔周期为1 d时,IBS的TN和NO_(3)^(-)-N去除率分别达到71.79%~82.00%和68.70%~85.84%,平均去除率比CBS分别高出10.65%和15.89%。CBS和IBS的TN和NO_(3)^(-)-N去除率随进水负荷的增加呈先升高后稳定的趋势,TP波动最小,去除率均稳定在97.04%~99.22%。构建方式对EPS的组分无明显影响,但对EPS含量和ETSA影响显著。IBS的构建方式可促进微生物分泌更多的EPS,其中EPS的多糖(PS)和蛋白质(PN)含量分别比CBS高出66.89μg·g^(-1)和603.24μg·g^(-1),并且IBS的酪氨酸、色氨酸和微生物代谢产物明显高于CBS;此外,与CBS的ETSA为(0.47±0.07)μg·(g·min)^(-1),相比IBS提高了0.35μg·(g·min)^(-1)。以上研究结果为应用生物滞留系统技术处理养殖尾水提供参考。 展开更多
关键词 生物滞留系统 水产养殖尾水 脱氮 胞外聚合物 电子传递活性
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微生物胞外长距离电子传递网络研究进展 被引量:6
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作者 杨永刚 李道波 许玫英 《微生物学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第9期2072-2083,共12页
微生物的电子传递过程在生命进化和生物地球化学循环中发挥着关键作用。近年来,随着微生物电子传递研究的深入开展,微生物纳米导线、导电生物被膜及种间电子传递等多种新型的微生物胞外电子传递机制不断被发现,微生物电子传递的距离也... 微生物的电子传递过程在生命进化和生物地球化学循环中发挥着关键作用。近年来,随着微生物电子传递研究的深入开展,微生物纳米导线、导电生物被膜及种间电子传递等多种新型的微生物胞外电子传递机制不断被发现,微生物电子传递的距离也从纳米级拓展至厘米级。这些微生物的长距离电子传递过程环环相扣、相互协同,从而构成长距离电子传递网络,并在物质循环和能量转化中共同发挥作用。微生物长距离电子传递网络的结构功能及其调控机制已成为多个学科共同关注的焦点。本文以电子传递的距离为主线,对不同尺度的微生物长距离电子传递过程及网络研究的新进展进行综述,包括纳米尺度的电子传递网络(周质空间和外膜表层)、微米至毫米尺度的电子传递网络(纳米导线、细胞间电子和导电生物被膜)、厘米尺度的电子传递网络(电缆细菌)等,并分析了该研究现存的主要问题和下一步的发展方向,以期为进一步推进微生物长距离电子传递网络理论和应用研究提供科学参考。 展开更多
关键词 微生物电子传递网络 胞外电子传递 长距离电子传递 纳米导线 电缆细菌
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