促进微生物胞外电子转移的纳米材料研究进展

胞外电子转移（EET）是产电微生物在代谢过程中将自身产生的电子转移到外部电子受体的过程，然而较缓慢的胞外电子转移速率显著影响了微生物燃料电池（MFCs）的产电性能，提高胞外电子转移的效率对推动微生物燃料电池的大规模应用具有重要意义。纳米材料具备优异的导电性、稳定性以及生物相容性，对改善阳极与产电微生物之间的电子传递速率具有重要作用。该文综述了胞外电子转移的主要路径，阐述了不同种类的纳米材料在促进胞外电子转移过程中的机理和其对应的MFCs产电性能，并展望了纳米材料强化微生物EET过程在微生物电化学技术利用方面的研究前景。     

合成生物学方法改造电活性生物膜研究进展

电活性生物膜是由电能细胞分泌的胞外多糖、蛋白、胞外DNA（extracellular DNA, eDNA）、菌毛等成分聚集,与细胞本身相互交联形成的导电多聚体。以多菌群落形态展现,在微生物燃料电池、微生物电合成、高值化学品生产、重金属污染处理、医疗等领域中具有至关重要的作用,是微生物电催化系统研究的核心之一。但自然状态下的电活性生物膜因厚度、结构稳定性、生物量等因素的限制,严重制约了电子传递效率。综述了近五年利用合成生物学改造电活性生物膜的研究进展,系统探讨了工程生物膜的构建、结构成分、导电性能以及应用,为将来进一步实现高效电催化奠定基础。     

微生物种间直接电子传递方式耦合产甲烷研究进展

厌氧产甲烷体系中细菌与产甲烷菌之间的电子传递,一直以来被认为是通过种间H2/甲酸转移来实现。然而,近年来研究发现某些电活性微生物与产甲烷菌之间存在可替代种间H2/甲酸转移以实现电子传递的种间直接电子传递(direct interspecies electron transfer,DIET)。通过DIET方式,产甲烷菌可从与其共生的微生物中直接获得的电子还原CO2产甲烷,该方式极大地提高产甲烷的效率和产甲烷的量。但是,目前对DIET方式耦合产甲烷还缺乏深入研究。文章对DIET方式耦合还原CO_2产甲烷的研究现状进行了概述,重点分析了DIET方式耦合还原CO_2产甲烷研究存在的问题,并讨论了其今后研究方向,以为DIET方式耦合还原CO_2产甲烷研究提供参考。     

微生物胞外多糖的提取

一 前言 微生物胞外多糖通常指某些微生物发酵产生的一类水溶性胶,是近二十年来陆续开发的发酵新产品,因其独特的物化特性,已作为乳化剂、增稠剂、稳定剂、胶凝剂、悬浮剂等广泛应用于石油、化工、食品和制药等领域。     

生物基化学品的微生物电合成研究进展

微生物电合成是结合微生物学与电化学的新兴研究方向。电化学活性菌株以直接或间接的方式吸收人工提供的外源电子,打破胞内代谢原有的氧化还原平衡,定向催化底物合成还原性目的产物。近年来,基于生物基化学品的微生物电合成取得广泛关注。本文综述了生物基化学品微生物电合成的基本原理及最新研究进展,并讨论了电化学活性菌株的种类、电子传递机制以及典型的菌株培养方式,同时结合菌株代谢途径,讨论了微生物电合成促进乙酸、1,3-丙二醇、丁醇、琥珀酸等生物基化学品的作用机理及研究现状。最后指出了电子传递机制、电子传递效率及成本是限制该技术发展的关键问题及未来的发展趋势,旨在推动该技术应用于生物基化学品的发酵工业中。     

胞外聚合物生物除磷研究进展

胞外聚合物是活性污泥絮体的主要成分,在污水处理中发挥着重要作用。介绍了胞外聚合物的组成结构、提取和分析测定方法,在此基础上综述了胞外聚合物在生物除磷中的研究现状,指出了该领域存在的问题,并对胞外聚合物生物除磷技术进行了展望。     

微生物胞外聚合物在水环境中的应用研究

介绍了微生物胞外聚合物(EPS)组成、EPS的絮凝性能、吸附性能及生物降解性,简述了EPS的提取及制备过程。结合EPS在给水处理、污水处理及污泥处理中的潜在应用,分析了使用EPS的优越性和局限性。最后展望了EPS作为生物絮凝剂、吸附剂在水处理领域里的应用前景和发展方向。     

产电细胞的合成生物学设计构建

以产电微生物为核心的微生物电催化系统在能源、环境等诸多领域有着广泛的应用,然而自然环境中野生型产电微生物可利用底物谱窄、底物摄取代谢强度弱,胞内电子池容量小、还原力再生效率差,胞外电子传递速率慢、电子通量小,这已成为限制其工业化应用的主要瓶颈。本文基于产电微生物介导的化学能到电能的能量转化路径,总结阐明了产电微生物的胞内电子生成过程与胞外电子传递机制,系统综述了近五年国内外利用合成生物学增强产电微生物底物摄取利用、强化胞内电子生成、加速胞外电子传递方面的研究进展,并对未来设计构建高效产电细胞研究进行了展望。     

微生物燃料电池阳极产电微生物研究进展

微生物燃料电池（Microbial fuel cells,简称 MFCs）是一种生物电化学混合系统,利用微生物的氧化代谢作用将有机物或者无机物中的能量转化为电能,具有节能、减少污泥生成及能量转换的突出优势,目前得到研究者们的广泛关注。其中产电微生物是MFCs系统的核心组成部分,筛选及培养高效产电微生物对促进MFCs的产电性能具有重要作用。通过对产电微生物电子传递机制、产电微生物种类以及影响微生物产电的因素进行分析总结,综述了阳极产电微生物的最新研究进展,最后从微生物角度展望了未来的研究方向,以期为产电微生物在MFCs中的应用提供指导和支持。     

基于中心损失的条件生成式对抗网络的冷水机组故障诊断

针对冷水机组产生的故障数据不足,数据集中正常数据和故障数据数量不平衡,进而导致故障诊断精度下降的问题,提出一种基于中心损失的条件生成式对抗网络(central loss conditional generative adversarial network,CLCGAN)和支持向量机(support vector machine,SVM)的故障诊断方法。首先,CLCGAN利用少量真实故障数据生成新的故障数据;然后,将生成的故障数据与初始数据集混合,使正常数据与故障数据的数量达到平衡;最后,利用平衡数据集构建SVM模型进行故障诊断。在GAN生成冷水机组故障数据时,构建动态中心损失项并加入到目标函数中,利用动态的中心损失减少冷水机组生成的各种故障数据的类内距离,从而降低各个故障生成数据之间的重叠程度,增加生成数据的可靠性。在生成故障数据之前配置相应的故障标签,并输入到CLCGAN中指导数据生成过程,使生成的故障数据可以均衡地分布于各个故障类别。在ASHRAE 1043-RP数据集上对所提方法进行了验证,结果表明,相较于其他解决数据不平衡问题的故障诊断方法,所提方法具有更高的故障诊断准确率。     

Free energy coupling of electron transfer and ion transfer in two-immiscible fluid systems

Free energy coupling of electron and ion transfers across a liquid-liquid interface is treated theoretically assuming electroneutrality of each phase and complete dissociation of electrolytes. A general method is presented for calculating the equilibrium inner potential difference between the two phases and equilibrium concentrations of redox species, as well as other ionic components from given initial concentrations, values of standard electrode potential of redox couples, and of standard ion transfer potential of other ionic components. The ion-electron exchange across the interface is exemplified for several simpler cases. The volume ratio has a dramatic effect on the equilibrium. The partition of indifferent-electrolyte ions can drive the redox reactions before the onset of electrolysis and can significantly alter the initial conditions for electron transfer studies at the liquid-liquid interface.     

Metal-organic framework carbide enhances interspecies electron transfer to produce methane

To solve the problem that the hydrogen partial pressure in the anaerobic fermentation system limits the hydrogen diffusion rate among species, porous metal materials derived from the metal-organic framework ZIF-8 are used to promote the anaerobic fermentation of ethanol to produce methane, and the mechanism for enhancing the electron transfer between microorganism species is explored. Scanning electron microscopy (SEM) shows that ZIF-8 derived porous carbon plays immobilized role of microbial communities and promotes nanowires generation. The results show that the methane yield and the maximum methane production rate increase with an increase of ZIF-8 derived porous carbon addition. When 200 mg/L ZIF-8 derived porous carbon is added, the system conductivity increases by 3.58-fold. Moreover, three-dimensional fluorescence spectroscopy analysis (3D-EEM) showed that ZIF-8 derived porous carbon promotes the relative content of fulvic acid in extracellular polymeric substance (EPS) from 18.0% to 23.6%, corresponding to methane yield and maximum methane production rate increasing by 18.81% and 19.04% respectively.     

碳化金属-有机骨架强化种间电子传递产甲烷

为了解决厌氧发酵系统中氢分压限制种间氢扩散速率问题,利用金属-有机骨架ZIF-8衍生多孔碳材料促进乙醇厌氧发酵生产甲烷,探究其对微生物种间电子传递的增强机理。扫描电镜SEM表明ZIF-8衍生多孔碳起到菌群固定化作用,并且能促进纳米导线产生。实验结果表明,随着ZIF-8衍生多孔碳添加量的增加,甲烷产量和最大产甲烷速率逐渐提高。添加200 mg/L ZIF-8衍生多孔碳时,系统导电性提高了3.58倍,三维荧光光谱分析表明ZIF-8衍生多孔碳能够促进微生物胞外聚合物（EPS）中类富里酸的相对含量由18.0%提高到23.6%,对应的甲烷产量和最大产甲烷速率分别增加了18.81%和19.04%。     

Electron transfer pathways in microbial oxygen biocathodes

The ability of some bacteria to enhance the rate of cathodic oxygen reduction to water has been recently discovered, opening the way to an entirely renewable and environmentally friendly concept of biocathode. In this study we reveal that several mechanisms may induce catalytic effects by bacteria. These comprise mechanisms that are putatively beneficial to the bacteria as well as mechanisms which are merely side effects, including quinone autoxidation and direct O₂ reduction by heme compounds. Here we showed that 1 μM of ACNQ is able to generate a significant catalytic wave for oxygen reduction, with onset at approximately 0 V vs. SHE. Similarly, adsorption of hemin on a carbon surface catalyses O₂ reduction to H₂O₂ with an onset of +0.2 V vs. SHE. To evaluate the catalytic pathways of live cells on cathodic oxygen reduction, two species of electrochemically active bacteria were selected as pure cultures, namely Acinetobacter calcoaceticus and Shewanella putrefaciens. The former appears to exploit a self-excreted redox compound with redox characteristics matching those of pyrroloquinoline quinone (PQQ) for extracellular electron transfer. The latter appears to utilise outer membrane-bound redox compounds. Interaction of quinones and cytochromes with the membrane-bound electron transfer chain is yet to be proven.     

Stochastic simulations of electrochemical electron transfer reactions

The rate of electron transfer reaction has been investigated by stochastic molecular dynamics. The electronic transition probability was calculated from the Landau–Zener formula, and the coupling strength was varied over a wide region, covering both the adiabatic and the non-adiabatic regime. For low coupling, the results of first order perturbation theory are recovered, for high coupling Kramers theory is valid, and the simulations bridge these two regions.     

三维金属氧化物纳米材料的研究进展

三维金属氧化物纳米材料（3D-MONs）具有独特的连续多孔网络结构特点,不仅使其保留了金属氧化物特有的化学性质,而且表现出低密度、高比表面积、高孔隙率、低热导率等优异的物理性能,是近年来纳米材料领域一个新的研究热点。综述了3D-MONs制备方法的研究进展,重点介绍了水热合成法、溶胶-凝胶法、模板法、溶液喷射法、直接发泡法,并对其共性与差异进行了讨论;探讨了3D-MONs在污水治理、空气净化、储能、隔热领域应用的研究进展;在此基础上,提出了合成3D-MONs需要解决的问题及其应用展望。