摘要
电活性生物膜（Electroactivebiofilms,EABs）的催化性能在实现微生物燃料电池（Microbialfuelcells,MFCs）高效电子转移和优异产电性能方面发挥着重要作用。调控EABs的组成和结构，强化其催化性能是MFCs发展的主要目标。EABs的形成和生长是一个发展的过程。细菌粘附是EABs形成的基础，决定了细胞簇的空间排列和成熟EABs的结构。这一步骤由微生物和载体间的界面相互作用力控制，主要受载体物化性质和形貌特征的影响。因此，本论文以EABs为研究对象，基于细菌粘附探索相应的强化方式以增强EABs的催化性能。 针对生物量低，生物膜催化性能低的问题，本研究提出β-环糊精（β-CD）/聚季铵盐-11（PQ-11）修饰生物载体，构建具有良好生物相容性的载体，诱导细菌均质粘附的方法。由于β-CD与PQ-11的协同作用，合成的电极表面粗糙，亲水性好。β-CD为细菌生长提供了适宜的微环境，带正电荷的聚电解质通过静电力对微生物产生净捕获效应，可以聚集大量的EAMs，加速阳极生物膜的形成。电化学分析表明，复合电极上EABs的胞外电子转移内阻降低，催化活性显著增强。高催化性能的生物膜在系统中提高了MFCs的发电性能和库仑效率，最大功率密度和库仑效率分别为1754.1±54.0mW/m2、58.1%±4.3%。而且表现出优异的瞬态电容行为，在5min间断时间内，净存储电荷为6.537±0.354C/m2。 基于以上研究结果，为在增加生物量的基础上解决EABs活性分层结构的问题，进一步强化EABs催化性能，本研究提出在生物友好型的载体上引入抑菌组分，构建杂化生物载体（Fe1Co、Fe4Co、Fe10Co）以诱导细菌异质粘附，调控EABs结构的方法。Fe4Co电极对细菌粘附施加了适宜的选择压力，在高生物量下通过调控生物膜的组成、结构以及功能特性，促进了高电化学活性生物膜的形成。Fe4Co的EABs中总活性和内层活性（0.67,0.70±0.01）均高于Fe1Co（0.50,0.48±0.03）和Fe10Co（0.51,0.51±0.03)。此外，在Fe4Co生物膜中检测到更高比例的蛋白质，增强了细胞外聚合物的氧化还原活性。Fe4Co富集了Geobacter并刺激微生物代谢。电化学分析表明，Fe4Co的EAB电化学活性最强，最大功率密度为2032.4mW/m2，是Fe1Co（1610.3mW/m2）和Fe10Co（1824.4mW/m2）的1.3和1.1倍。在染料废水降解实验中，Fe4Co的EAB具有良好的生物降解活性和脱色性能，最大化学需氧量去除率和脱色率分别为82.8%±7.8%、75.4%±3.2%，相比Fe1Co和Fe10Co的EABs具有更高效的有机物代谢性能。 综上所述，本研究针对EABs催化性能受限的问题基于细菌粘附提出了策略，并对EABs的组成，结构及电化学性能进行了验证。结果表明调控细菌粘附，是实现高效的生物催化反应，加快胞外电子传递，提高微生物燃料电池能量输出性能的简易有效途径。
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