功能化大肠杆菌阴极催化剂的构建及其在微生物燃料电池中的应用.pdf

摘要

随着社会的发展，环境污染、能源短缺的问题已成为全人类生存与发展所面临的

MFC

重大挑战之一，开发可再生的清洁能源成为当前的迫切需求。微生物燃料电池（）

作为一种兼具废水处理和产电产能等多重功效的新型可持续生物能源装置被寄予厚望。

其中，阴极氧还原反应（ORR）是决定MFC性能的关键因素之一，但由于金属基

ORR催化剂价格昂贵、不可再生及稳定性差，限制了MFC在实际生活生产中的应用。

因此，设计开发具有更高催化活性、更强稳定性、更低成本的阴极ORR催化剂是

MFC的研究热点。近年来，微生物催化剂由于具有廉价易得、操作条件温和、绿色可

再生和良好的抗环境压力等优势而被认为是有广阔前景的ORR生物电催化剂。

鉴于微生物电催化剂的催化效率相对较差，根据微生物细胞的生物特性，基因工

程、化学调控等方式是提高微生物电催化活性的有效策略，它们可操纵催化剂的活性

ORREscherichia

位点和电子传递能力，从而提高的催化活性及稳定性。大肠杆菌（

coli,E.coli）是一种生长迅速、遗传背景清晰、可进行各种基因改造的原核生物，已成

为MFC中常用的模式生物催化剂。本论文以大肠杆菌为出发点，对其进行基因工程和

化学调控，将其功能化为具有更高电催化氧还原性能的生物阴极催化剂，并研究其在

MFC中的应用，主要研究内容如下：

（1）利用基因工程技术将具有ORR催化活性的胆红素氧化酶（BOD）在大肠杆

ET

菌的细胞膜上过表达，形成重组的工程型大肠杆菌（），并将这种重组菌株设计为

MFC的阴极ORR催化剂。与天然的大肠杆菌相比，这种基因工程大肠杆菌因其具有

丰富的催化活性蛋白而展现了高效的电催化活性，并且在全电池MFC中可以产生更低

的极化和更高的功率密度。这些结果证明了通过基因操作引入过量的氧还原酶来功能

化大肠杆菌可以大大提高电催化效率。这项工作为设计提高MFC性能的生物工程细菌

提供了一种新的方法。

2PPyET

（）使用聚吡咯（）对重组大肠杆菌（）进行表面化学调控，利用聚吡咯

良好的导电性在重组大肠杆菌的表面构建一层人工导电外壳，从而获得聚吡咯功能化

大肠杆菌（ET@PPy）的氧还原电催化材料。利用具有生物相容性的聚吡咯修饰大肠杆

菌可以提高细菌和电极之间的电子传递效率，从而提高重组大肠杆菌的电催化氧还原

能力。通过多种表征测试确定了聚吡咯成功地包覆在重组大肠杆菌表面。通过生物活

I

性测试表明聚吡咯对重组大肠杆菌的生存活性和繁殖能力几乎没有影响。电化学测试

结果表明聚吡咯修饰过的重组大肠杆菌与天然重组大肠杆菌相比具有更优的氧还原电

催化性能，最大峰值电流为3.10mAcm−2。在全电池MFC测试中，聚吡咯修饰的大肠

杆菌具有明显提高的功率密度。该工作为发展高效的MFC阴极生物电催化剂提供了新

的思路。

3MWCNTs-NH

（）采用氨基化多壁碳纳米管（2）三维支架负载工程大肠杆菌

（ET），得到了细菌-碳纳米管复合材料（ET@MWCNTs-NH）电极，并应用于氧还原

2

电催化。通过表征可以发现大量细菌被成功嵌入到三维碳纳米管支架中，以最大化碳

电极和细菌之间的相互作用和接触表面积，从而显著改善了细胞外电子传输的效率，

得到了更小的电荷转移阻力。采用细菌碳纳米管复合阴极的微生物燃料电池实现了功-

率密度的显著提高。这种通过构建碳纳米管功能化的复合生物膜提高细菌电催化氧还

原性能的方法为调控细菌电催化性能提供