J Hazard Mater∣增强微生物胞外电子传递，以实现酿造废水处理和铬还原的同步完成

“J Hazard Mater∣增强微生物胞外电子传递，以实现酿造废水处理和铬还原的同步完成”

           

文献信息：

作者：Deguang Wu, Baocai Zhang, Sicheng Shi, Rui Tang, Chunxiao Qiao, Teng Li, Jichao Jia, Meiyi Yang, Xiaoguang Si, Yifei Wang, Xi Sun, Dongguang Xiao, Feng Li, Hao Song

           

接收时间：1 December 2023

           

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.133171

           

Journal of Hazardous Materials 影响因子：13.6

背景介绍

微生物燃料电池(MFC)技术已开发用于在阳极室处理废水，并在阴极室还原重金属。然而，生物有限的胞外电子传递(EET)速率仍然是MFC实际应用的制约因素。在这里，作者开发了一种MFC系统，利用来自阳极废水处理的电能驱动阴极Cr⁶⁺还原，实现了一种能源自给自足的方法，有效解决Cr⁶⁺污染问题。这个MFC系统通过筛选具有优越EET速率的外源电生物、促进外源电EET速率和构建导电生物阳极来实现。

首先，从酿造废水适应的污泥中筛选出Shewanella algae-L3，其产生功率密度为566.83 mW/m²。其次，为了促进EET速率，在工程化S. algae-L3F中过表达了黄素合成基因操纵子ribADEHC，以增加黄素生物合成，这将功率密度提升至1233.21 mW/m²。第三，为了促进界面电子传递，使用碳纳米管(CNT)构建了S. algae-L3F-CNT生物阳极，进一步将功率密度提高至3112.98 mW/m²。最后，S. algae-L3F-CNT生物阳极被用来从酿造废水中收集电能，以驱动MFC中阴极Cr⁶⁺的还原，实现了71.43%的阳极化学需氧量(COD)去除和98.14%的阴极Cr⁶⁺还原。这项研究表明，增强的外源电EET可以促进MFC中阴极Cr⁶⁺的还原。    

    

图文解读

           

图1. 工程化改造胞外电子传递以促进同时进行的酿造废水处理和Cr⁶⁺解毒

           

首先从活性污泥中筛选出具有较高EET速率的Shewanella algae-L3。随后，为了促进S. algae-L3的EET速率，异源表达了枯草杆菌(Bacillus subtilis)的黄素合成基因操纵子ribADEHC到S. algae-L3中，增加了黄素生物合成和EET速率。

为了促进界面电子传递，利用碳纳米管(CNT)构建了S. algae-L3F-CNT生物阳极，这增强了生物膜的形成和导电性，从而提高了输出功率密度。获得的S. algae-L3F-CNT生物阳极成功地用于在MFC的阳极室从实际酿造废水中收集电能，以驱动阴极Cr⁶⁺的还原，这实现了一种可行的同时废水处理和重金属解毒的方法。

                   

                             

           

图2. 筛选具有更高EET速率的外源电生物

a, 外源电生物富集的示意图。

b, 外源电生物富集过程中的输出电压。

c, 筛选出的菌株的最大功率密度，取自图S1中的功率曲线。

d, S. oneidensis MR-1和L3菌株的输出电压曲线。

e, S. oneidensis MR-1还原Fe³⁺过程中的Fe²⁺和Fe³⁺浓度。

f, 菌株L3还原Fe³⁺过程中的Fe²⁺和Fe³⁺浓度。

g, 计算的Fe³⁺还原速率。

h, 在MFC阳极由S. oneidensis MR-1和L3菌株驱动的阴极Cr⁶⁺还原。

i, 基于16 S rRNA序列邻接加入分析结果的系统发育树。

             

           

图3. S. algae-L3的代谢和电生理特性

           

a, S. algae-L3和S. oneidensis MR-1的透射电子显微镜(TEM)图像。

b, S. algae-L3以不同电子供体为食的生长情况。在12小时时测量OD₆₀₀。    

c, 乳酸盐（电子供体）的消耗量。

d, S. oneidensis MR-1和S. algae-L3中c-Cyts的紫外-可见光谱分析。

e, S. oneidensis MR-1和S. algae-L3合成黄素的时间进程。

f,S. algae-L3和S. oneidensis MR-1在阳极附着生物膜的共聚焦扫描激光显微镜(CLSM)图像。

g, 阳极生物膜的生物量。

h, 通过结晶紫生物膜染色和检测（OD₅₉₅/OD₆₀₀）的平板底部附着生物膜的图像和定量。

i, 生物膜胞外基质中多糖、蛋白质和eDNA的含量。

j,S. oneidensis MR-1和S. algae-L3菌株的细胞表面Zeta电位。

           

           

图4. S. algae-L3与S. oneidensis MR-1从好氧生长

转变为厌氧EET时基因转录水平变化的比较

           

a, 在电子供体乳酸盐吸收和分解代谢中涉及的基因表达的倍数变化（S. algae-L3：厌氧EET与好氧生长；S. oneidensis MR-1：厌氧EET与好氧生长，下同）。

b, 涉及细胞内NADH氧化的基因表达的倍数变化。

c, 编码c-Cyts的基因表达的倍数变化。    

d, 编码GGDEF结构域蛋白的基因在生物膜形成中c-di-GMP合成的倍数变化。

           

           

           

图5. 工程化黄素生物合成途径以促进穿梭介导的间接EET

           

a, 重组菌株S. algae-L3F的示意图。

b, S. algae-L3F中ribA、ribD、ribE、ribH和ribC基因的转录水平表达。

c, S. algae-L3和S. algae-L3F合成黄素的时间序列分析。

d, 在外部负载电阻为2kΩ的MFC中放电电路的电压输出。

e, S. algae-L3和S. algae-L3F的功率密度曲线。    

f, 在 MFC中由阳极S. oneidensis MR-1、S. algae-L3和S. algae-L3F驱动的阴极Cr⁶⁺还原。

g, 扫描速率为1 mV/s的周转循环伏安(CV)。

h, S. algae-L3F和S. algae-L3的阳极生物量。

          

                           

           

图6. 通过促进S. algae-L3F-CNT生物阳极界面电子传递增强Cr⁶⁺还原

           

a,S. algae-L3F-CNT生物阳极的示意图。

b, S. algae-L3F、S. algae-L3F-CB和S. algae-L3F-CNT生物阳极的功率密度曲线（左）和极化曲线（右）。

c, 阳极生物膜的生物量。    

d,S. algae-L3F、S. algae-L3F-CB和S. algae-L3F-CNT生物阳极的生物膜SEM图像。

e, S. algae-L3F、S. algae-L3F-CB和S. algae-L3F-CNT生物阳极的生物膜CLSM图像。

f, 阴极表面的SEM图像和能谱(EDX)元素（碳、氧和铬）分布图。

g, 阴极Cr⁶⁺还原的一阶拟合曲线。

           

           

           

图7. 由阳极室中实际酿造废水微生物氧化产生的电流驱动的阴极Cr⁶⁺还原

           

a, 同时进行阳极酿造废水处理和阴极Cr⁶⁺还原的S. algae-L3-CNT生物阳极或S. algae-L3F-CNT生物阳极的过程示意图。在第一阶段，预处理后的酿造废水加载到MFC阳极室，用于S. algae-L3或S. algae-L3F细胞培养进行12小时的好氧孵化。在第二阶段，通过外部电路连接MFC的阳极和阴极，同时进行阳极酿造废水处理和阴极Cr⁶⁺还原。    

b, 阴极Cr⁶⁺还原曲线。

c, Cr⁶⁺还原的一阶动力学拟合曲线。

d, 阳极酿造废水的化学需氧量(COD)去除率。

e, 分别在实际含Cr⁶⁺废水和含Cr⁶⁺缓冲液中Cr⁶⁺还原的曲线。

f, Cr⁶⁺还原的一阶拟合曲线。

           

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