人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的研究进展

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)是一种将人工湿地技术(CW)和微生物燃料电池技术(MFC)结合在一起的新型污水处理系统,其产电机理是产电微生物在底层湿地(阳极)的厌氧条件下生成电子,通过外电路传递到表面湿地(阴极)完成氧化还原反应。但是,近几年来,关于CW-MFC研究的文章较少且研究深度较浅。综述了电极材料、水力条件、湿地植物及微生物等条件对CW-MFC污水处理能力和产电能力的影响。在电极材料方面,选用导电性、吸附性及有效面积大的材料作为电极可有效提高CW-MFC产电与去污能力;在水利条件方面,在HRT为2-3 d的条件下,应选用升流式或升流-降流式的入水方式;湿地植物方面,种植湿地植物的CW-MFC在去污和产电能力上都要优于未种植植物的CW-MFC;微生物方面,阴极与阳极的微生物群落结构存在明显的差异,但存在的产电菌的种类却十分相似。CW-MFC中存在的常见产电微生物主要包括地杆菌属(Geobacter)、脱硫叶菌属(Desulfobulbus)、假单胞菌属(Pseudomona)和脱硫弧菌属(Desulfovibrio)等。最后对CW-MFC的研究方向进行了分析,以期为CW-MFC的实际应用提供理论依据。     

生物电化学耦合厌氧氨氧化强化脱氮及其微生物群落特征

为探究生物电化学强化厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation,anammox)脱氮作用过程,采用双室微生物电解池(microbial electrolysis cell,MEC)富集电活性微生物,构建耦合厌氧氨氧化阴极的生物电化学系统。具体地,在外加0.2 V电压条件下改变不同总氮进水浓度于30°C进行暗培养批次实验研究,结合循环伏安法、电化学阻抗谱、高通量测序方法等多种表征手段研究了强化脱氮机理。结果表明,在初始总氮浓度分别为200、300和400 mg/L时对应获得了96.9%±0.3%、97.3%±0.4%和99.0%±0.3%的总氮去除率,且阴极电极生物膜表现出良好的电化学活性。高通量测序结果表明外加电压富集了除厌氧氨氧化菌以外的其他脱氮功能菌群:反硝化菌(Denitratisoma)、Limnobacter和氨氧化菌SM1A02和Anaerolineaceae、亚硝化菌(Nitrosomonas europaea)和硝化螺菌属(Nitrospira)等,这些具有电化学活性的微生物构成了体系的氨氧化胞外产电菌(ammonium oxidizing exoelectrogens,AOE)和反硝化电养菌(denitrifying electrotrophs,DNE),它们连同厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia构成了系统的脱氮微生物群落结构。AOE和DNE的种间直接电子传递作用协同厌氧氨氧化是强化系统总氮去除的关键原因。     

人工电活性微生物菌群的设计与应用

包括产电菌群和噬电菌群的人工电活性微生物菌群(synthetic electroactive microbial consortia)通过菌种间的物质能量级联反应介导化学能与(光)电能间的相互转化，其可利用底物来源广泛、双向电子传递速率快、环境稳定性强，在清洁电能开发、废水处理、环境修复、生物固碳固氮以及生物燃料、无机纳米材料、高聚物等高值化学品合成等多个领域具有广泛的应用前景。针对人工电活性微生物菌群设计、构建与应用，本文总结电活性微生物菌群界面电子传递和种间电子传递机制，概括基于“劳力分工”原理设计构建人工电活性微生物菌群物质能量级联反应基本架构，总结菌群关系与菌群生态位优化等人工电活性微生物菌群工程化策略，分类列举人工电活性微生物菌群在利用廉价生物质产电、生物光伏固碳产电，光驱噬电生物菌群固氮等相关应用。最后对人工电活性微生物菌群未来研究方向进行了展望。     

促进电活性微生物产电呼吸能力的方法研究进展

产电呼吸是指电活性微生物(electroactive microorganisms,EAMs)以胞外固体电极作为电子受体的一种呼吸形式,在可再生能源利用和环境修复方面具有广阔的应用前景。能否进一步提高EAMs的产电呼吸能力是相关技术能否从实验室走向实际应用的核心,而提高产电呼吸能力的关键是加强EAMs与胞外固体电极间的电子传递能力。目前总结如何促进EAMs产电呼吸能力的综述文献极少。因此,本文从投加化学试剂、施加物理作用及改造生物基因3个方面总结了现有的促进EAMs产电呼吸能力的方法,介绍了每种方法的优势与缺陷,重点阐述了每种手段的作用机理及促进效果,并从实际应用和机理研究的角度展望了今后的研究方向。     

微生物-矿物相互作用及界面显微分析研究进展

微生物-矿物界面的相互作用贯穿着整个生物浸矿过程,在矿物生物浸出中至关重要,受到微生物的代谢特征、矿物表面结构和物质形态及环境条件的多重交叉影响。研究微生物-矿物界面的相互作用相关的微生物选择性吸附、矿物表面元素形态转化和钝化层、微生物铁硫氧化活性和微生物群落以及胞外物质的组成和性质等的演化,有利于了解微生物-矿物界面作用机制及其关键影响因素和影响机制,从而为优化浸出工艺提供科学的理论依据。达到这些目的,界面的(原位)显微分析手段和技术的进步也至关重要。本文对近些年来上述两方面的研究进行了综述。     

微生物燃料电池中产电微生物的系统发育分析及筛选

对污水处理厂曝气池的产电微生物进行富集并利用纯培养法筛选,采用基于16S rRNA基因序列的系统发育分析方法研究了产电微生物的生物多样性,并基于三电极体系绘制出的循环伏安曲线鉴别出产电性能较强的纯菌株。结果表明,菌株F003、F042和F050与其系统发育关系最密切的有效发表种的典型菌株的16S rRNA基因序列存在较大差异,分别代表新的分类单元。之后又对所获得的38株菌株进行电化学测试活性,得出4株活性较强的菌株,其中菌株F010和F017的电化学活性比菌株F007和F051更为显著。     

利用异化金属还原菌构建含糖微生物燃料电池

环境中的一些微生物通过还原金属氧化物进行无氧呼吸,而石墨电极与金属氧化物相似,也可以作为这类微生物呼吸作用的最终电子受体,利用这类微生物构建微生物燃料电池,以糖类物质为燃料,对电池产电情况、产电原理进行研究。实验结果表明,以Rhodoferaxferrireducens为产电微生物,在外接电阻510Ω条件下,以葡萄糖为燃料,常温下产生的电流密度达158mAm2(平台电压为0.46V,电极有效接触表面积为57cm2),且循环性能良好。更换燃料为其它糖,发现微生物可以利用多种糖进行产电;通过SEM观察发现大量微生物吸附在石墨电极上,用Bradford法对运行20d后电池的细胞量进行定量,测得悬浮细胞蛋白浓度为140mgL,吸附在电极上的生物量为1180mgm2。通过数据采集分析和细菌还原实验,发现吸附在电极上的微生物对电压的产生贡献最大,具有电化学和生物学活性;悬浮细胞对产电贡献很小,不具有电化学和生物学活性。     

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统缓解生物堵塞试验研究

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)利用电极表面富集的电化学活性菌(Electrochemically Active Bacteria,EAB)对生物堵塞的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)进行降解,并通过产电过程中形成的微弱电场来抑制微生物胞外多糖大量分泌,可在一定程度上控制人工湿地(Constructed Wetland,CW)的生物堵塞。为此,研究将阴极和阳极电极分别嵌入垂直流人工湿地的不同深度位置处,构建了人工湿地-微生物燃料电池(CW-MFC)耦合系统。通过比较开路和闭路耦合系统的孔隙率、过水速率以及净化效果,评价CW-MFC系统的堵塞延缓能力。结果表明:相较开路系统,闭路系统的过滤速率增幅较大,孔隙率的降幅较小,在一定程度上缓解了堵塞。闭路系统对TN和NH4+-N的去除率显著高于开路系统。嵌入电极形成的CWMFC系统可原位缓解堵塞,有较好的应用潜力。     

生物电化学系统对运动发酵单胞菌代谢的影响北大核心CSCD

生物电化学系统能促进微生物与电极间的相互作用,从而改变微生物的代谢状态。本工作为研究运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)在电环境中的代谢表现,在外接3V电源的H型电化学发酵装置中测试了其发酵效能。结果表明,相比于无电压的对照,阳极甘油产量上升24%,阴极葡萄糖消耗上升16%,产物乙醇和琥珀酸的产量也分别上升13%和8%。转录组分析表明,代谢物的显著改变归因于电环境导致的有机酸代谢、氧化还原平衡、电子传递等通路的改变。从表达差异显著的基因中挑选了代表胞内氧化还原平衡、生物膜形成和电子传递的3个基因ZMO1060(编码超氧化物歧化酶)、ZMO0401(编码二鸟苷酸磷酸二酯酶)和ZMO1819(编码固氮蛋白)进行验证,结果表明过表达ZMO1060和ZMO1819能够更显著地改变生物电化学系统中Z.mobilis的代谢。本工作为应用生物电化学系统调控微生物代谢物生产提供了参考。     

微生物燃料电池中产电微生物的研究进展

产电微生物是微生物燃料电池系统的核心组成, 本文从生物学角度介绍了几种产电微生物的分类学地位、形态特征、生理生化特征及在微生物燃料电池中的产电机理和产电能力, 分析了利用产电微生物进行废水处理同时生物发电的应用前景, 提出产电微生物在MFC系统中的进一步研究方向为微生物的富集、驯化、改造和多种菌种优化组合等。     

Reprogramming microorganisms for the biosynthesis of astaxanthin via metabolic engineering

There is an increasing demand for astaxanthin in food, feed, cosmetics and pharmaceutical applications because of its superior anti-oxidative and coloring properties. However, naturally produced astaxanthin is expensive, mainly due to low productivity and limited sources. Reprogramming of microorganisms for astaxanthin production via metabolic engineering is a promising strategy. We primarily focus on the application of synthetic biology, enzyme engineering and metabolic engineering in enhancing the synthesis and accumulation of astaxanthin in microorganisms in this review. We also discuss the biosynthetic pathways of astaxanthin within natural producers, and summarize the achievements and challenges in reprogramming microorganisms for enhancing astaxanthin production. This review illuminates recent biotechnological advances in microbial production of astaxanthin. Future perspectives on utilization of new technologies for boosting microbial astaxanthin production are also discussed.     

基于电活性微生物的芳香烃类污染物转化机制研究进展

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...     

分子生物学方法提高电活性微生物胞外电子传递效率的研究进展*

微生物细胞与电极之间的胞外电子传递效率是限制微生物电化学技术发展的关键因素,而分子生物学的发展为提高胞外电子传递效率带来了光明前景。从四种具有代表性的纯培养电活性微生物(奥奈达希瓦氏菌、铜绿假单胞菌、硫还原地杆菌和工程大肠杆菌)和混合培养电活性微生物出发,综述了利用分子生物学手段改造几种电活性微生物的研究成果,阐明了针对特异的电活性微生物,如何采取相应的分子生物学手段提高其胞外电子传递的效率,并展望了未来的研究方向。     

微生物基因组简化的研究进展

微生物基因组简化是合成生物学研究热点之一。基因组的适度精简可使细胞代谢途径得以优化,改善细胞对底物、能量的利用效率,大大提高细胞生理性能的预测性和可控性。基因组简化细胞将为生物技术的应用提供理想的底盘细胞。同顾了构建基因组简化细胞的研究策略、研究方法及一些模式生物相关研究进展,总结了基因组简化研究所面临的问题及解决办法,对基因组减小化研究发展趋势前景进行了展望。     

微生物燃料电池利用乳酸产电性能与微生物群落分布特征

【目的】为探讨以乳酸为基质的微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)产电性能以及微生物群落在阳极膜、悬浮液、阳极沉淀污泥中的分布特征,【方法】试验建立了双室MFC,以乳酸为阳极主要碳源,研究了反应器的启动过程及产电效能,同时以电镜和PCR-变性梯度凝胶电泳(Denaturing gradient gelelectrophoresis,DGGE)技术解析了微生物群落的空间分布特征。【结果】结果表明,反应器启动第7天时外电压达到0.56 V,当外阻为80Ω时,电流密度为415 mA/m2,MFC的功率密度达到最大值82 mW/m2。电镜观察发现大量杆菌附着在阳极表面,结合较为紧密;DGGE图谱显示阳极膜表面微生物与种泥最为相似,与阳极悬浮液、底部沉淀污泥中的主要菌群一致,条带序列与睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)和布氏弓形菌(Arcobacter butzleri)等最为相似。【结论】本研究表明以乳酸为基质MFC可产生较高的功率密度,阳极附着的优势菌与接种污泥来源密切相关。     

Microbial production of riboflavin: Biotechnological advances and perspectives

Riboflavin is an essential nutrient for humans and animals, and its derivatives flavin mononucleotide (FMN) and flavin adenine dinucleotide (FAD) are cofactors in the cells. Therefore, riboflavin and its derivatives are widely used in the food, pharmaceutical, nutraceutical and cosmetic industries. Advances in biotechnology have led to a complete shift in the commercial production of riboflavin from chemical synthesis to microbial fermentation. In this review, we provide a comprehensive review of biotechnologies that enhance riboflavin production in microorganisms, as well as representative examples. Firstly, the synthesis pathways and metabolic regulatory processes of riboflavin in microorganisms; and the current strategies and methods of metabolic engineering for riboflavin production are systematically summarized and compared. Secondly, the using of systematic metabolic engineering strategies to enhance riboflavin production is discussed, including laboratory evolution, histological analysis and high-throughput screening. Finally, the challenges for efficient microbial production of riboflavin and the strategies to overcome these challenges are prospected.     

一株耐盐产电菌Shewanella algae E-1的分离及其产电特性分析

【背景】产电微生物的种类和电化学活性机制对微生物燃料电池的产电性能有着重要的影响。【目的】从海水中分离获得一株耐盐产电微生物,研究其产电特性并鉴定种属信息。【方法】以取自南海的海水为接种液启动并运行阳极液中含有不同盐浓度的微生物燃料电池,从富集的阳极生物膜上分离得到一株纯培养的微生物菌株,命名为E-1。通过接种于阳极液中添加不同盐浓度的微生物燃料电池中对其产电特性进行分析,并利用形态学观察、Biolog分析和16SrRNA基因序列比对相结合的方法进行种属鉴定。【结果】菌株E-1在无外源添加和外源添加6.6%NaCl条件下产生的功率密度分别为51.69 m W/m2和26.56 m W/m2,这与其良好的耐盐能力相关。菌株E-1被鉴定为海藻希瓦氏菌(Shewanella algae),表现出多样的底物利用能力,生长的温度范围为25-40°C,pH范围为5.0-10.0。【结论】这是首次对Shewanella algae种内微生物产电性能及其在微生物燃料电池中应用的报道,丰富了产电微生物的多样性,菌株E-1能够在较高盐浓度条件下表现出良好的产电性能,为微生物燃料电池在海水资源化处理方面的应用提供新的实验材料。     

单萜类化合物的微生物合成

单萜类化合物是萜类化合物的一种,一般具有挥发性和较强的香气,部分单萜还具有抗氧化、抗菌、抗炎等生理活性,是医药、食品和化妆品工业的重要原料.近年来,利用微生物异源合成单萜类化合物的研究引起了科研人员的广泛关注,但因产量低、生产成本高等限制了其大规模应用.合成生物学的迅猛发展为微生物生产单萜类化合物提供了新的手段,通过改...     

形态工程在生物基化学品生产中的应用进展

合成生物学和代谢工程是构建微生物细胞工厂、实现化学品绿色生物制造的重要方法,目前主要集中在微生物代谢网络的改造及调控上,很少考虑到微生物细胞特性的影响。形态工程通过改造微生物细胞形态相关蛋白,有目的地对微生物细胞形态及分裂方式进行合理调控,从而优化微生物细胞的特性,是降低生物炼制成本的一种新兴生物工程技术。文中首先介绍了与微生物细胞形态相关的各类蛋白,并重点总结了形态工程在生物基化学品合成方面的应用进展,包括调控细胞体积以提高胞内产物积累量、改善细胞通透性以促进胞外产物分泌、实现高密度发酵以降低生产成本、控制产物水解程度以提高产品性能。最后,提出了形态工程面临的主要问题并展望了其未来的发展趋势。