【摘 要】
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电活性生物膜（Electroactive biofilms,EABs）是生物电化学（BESs）的核心组成部分,由于其具有胞外电子传递的特性,其在燃料生产、生物电催化合成、生物修复等方面都具有广泛的应用前景。关于如何促进EABs的形成、提高BESs性能一直是生物电化学领域研究的热点。本研究向BESs中引入了七种重金属离子Cu2+、Cd2+、Co2+、Zn2+、Mn2+、Ni2+、Cr3+,探究了他们
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电活性生物膜（Electroactive biofilms,EABs）是生物电化学（BESs）的核心组成部分,由于其具有胞外电子传递的特性,其在燃料生产、生物电催化合成、生物修复等方面都具有广泛的应用前景。关于如何促进EABs的形成、提高BESs性能一直是生物电化学领域研究的热点。本研究向BESs中引入了七种重金属离子Cu2+、Cd2+、Co2+、Zn2+、Mn2+、Ni2+、Cr3+,探究了他们在低浓度下对BESs性能的影响,同时还利用激光共聚焦、高通量测序、宏基因组测序等手段系统地分析了Cu2+、Cd2+及Co2+在不同浓度下是如何调控EABs形成的。分析了BESs在不同重金属条件下的产电性能,发现所有重金属离子在1 mg/L时都表现出对BESs产电的抑制,只有Cu2+、Cd2+、Co2+这三种重金属离子在10μg/L、100μg/L时能够促进BESs产电,具体表现为:添加了10μg/L及100μg/L的Cu2+将电流密度提升了58.79%及38.63%,而添加1 mg/L的Cu2+的电流密度却降低了18.08%;添加了10μg/L及100μg/L的Cd2+将电流密度提升了16.20%及17.8%,添加1 mg/L的Cd2+的电流密度降低了47.52%;添加了10μg/L及100μg/L的Co2+将电流密度提升了50.25%与32.4%,添加1 mg/L的Co2+的电流密度降低了13.88%。循环伏安法显示Cu2+、Cd2+、Co2+在10μg/L、100μg/L浓度条件下EABs的电活性均高于其对照组,同时对应BESs的库伦效率也得到了提升,其中添加了10μg/L及100μg/L的Cu2+后库伦效率从26.22±0.65%分别提升至40.99±5.39%与37.94±4.08%;添加了10μg/L及100μg/L的Cd2+后库伦效率从28.42±5.48%分别提升至28.95±0.7%与30.42±4.32%;添加了10μg/L及100μg/L的Co2+后库伦效率从18.77±1.77%分别提升至26.41±4.2%与20.4±1.55%。对生物膜蛋白含量及激光共聚焦分析发现生物膜的活性提升归因于电极生物量的提升,其中具有促进作用的重金属对应实验组生物膜上的生物量及相对活性比例均高于对照组。种群分析结果显示,经电化学驯化后,产电菌Geobacter在生物膜群落中的比例都得到了提升;其中Geobacter对Cu2+的作用效果更敏感,在混合菌培养条件下10μg/L及100μg/L的Cu2+提高了Geobacter在生物膜群落中的比例,使电活性生物膜的电化学性能得到提升;而添加10μg/L及100μg/L的Cd2+及Co2+后并没有使生物膜群落中的Geobacter比例得到提升。在此基础之上,以产电模式菌G.sulfurreducens PCA进行了机理研究。研究发现10μg/L及100μg/L的Cu2+在96h时对模式菌的生长增殖促进作用达到最大值,其生物增长量分别为87.8%及80.2%,都高于对照组Cu2+（0μg/L）的58.8%。而1mg/L的Cu2+则完全抑制了G.sulfurreducens PCA的生长,其最大的OD600值仅为0.05±0.003。宏基因组测序发现,“能量产生与转换”、“信号传导机制”、“辅酶运输与代谢”、“无机离子运输与代谢”等相关功能基因的表达受到Cu2+的影响;同时在10μg/L及100μg/L的Cu2+作用下,调控IV型伞毛的基因出现了显著上调,而部分c型细胞色素相关基因出现了下调,但下调效果并不显著;1 mg/L的Cu2+则对IV型伞毛的基因及c型细胞色素相关基因的抑制作用十分明显。在BESs中,EABs是影响胞外电子传递的关键性因素,本研究为调控EABs的形成提供了有效的方法,同时也为BESs处理痕量的重金属废水提供了新思路,推动了BESs技术的发展。
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