摘要
电活性生物膜由电活性微生物分泌的胞外聚合物与细胞自身交联形成的导电多聚体结构，是微生物电化学系统的核心之一，在生态环境治理、绿色能源开发、化学品高效合成等相关领域有着广泛应用。然而，天然条件下形成的电活性生物膜，往往存在厚度稀薄、结构稳定性差、生物含量少、电子传递效率低等问题，成为大规模产业化应用的核心瓶颈。本研究通过合成生物学策略，强化胞外基质成分，促进电活性生物膜的形成以及结构稳定性；优化细胞导电元件，提升电活性生物膜胞外电子传递效率。构建具有高效电子传递能力的电活性生物膜，为未来进一步实现微生物高效电催化提供思路和方向。 主要研究结果如下： （1）强化S.oneidensis电活性生物膜结构形成：为强化细胞与电极界面的初始附着，提高电活性生物膜形成能力，促进生物膜结构成熟稳定。本研究通过，分别筛选生物膜形成过程中发挥关键作用的结构成分因子，抑制胞外多糖（so_3177）基因表达，提高细胞疏水性促进生物膜初始附着；强化胞外蛋白（aggA）基因表达，提高电极覆盖率促进生物膜结构稳定性；强化eDNA成分表达（exeS），改善细胞间电子传递构建生物膜内部导电网络。采用合成生物学方法，对单模块基因进行优化组合，获得具有高效形成能力和结构稳定的三维电活性生物膜系统，其功率密度输出达到220.5mW/m2，电活性生物膜厚度达到180±5μm，分别较野生型提高了4.3倍和1.7倍。 （2）强化S.oneidensis电活性生物膜导电活性：为构建生物膜内部高效电子传递网络，降低细胞与电极间的界面传质阻力。本研究系统性强化细胞的导电元件，筛选鉴定了异源导电纳米线单体（gs-pilA）和细胞色素蛋白（omcS），增强细胞直接电子跨膜传递过程，优化了电子传递载体核黄素（ribADEHC）表达，增强细胞间接胞外电子传递速率。通过进一步组合强化了S.oneidensis电活性生物膜导电活性。最后开发双质粒系统，模块化耦合了电活性生物膜的结构成分基因和导电元件基因，构建了具有较强生物膜形成能力、较高电子传递能力的S.oneidensis电活性生物膜系统，其功率密度输出达到810.2mW/m2，电活性生物膜厚度达到235±5μm，分别较野生型提高了15.8倍和2.2倍。
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