碳点改良的希瓦氏菌用于高效提升生物燃料电池产电

　　近日，我校城市水资源与水环境国家重点实验室于淼教授和冯玉杰教授课题组合作，在微生物燃料电池研究领域取得重要进展，在Nature Communications上发表了题目为“Carbon dots-fed Shewanella oneidensis MR-1 for bioelectricity enhancement”的研究论文。

近年来，基于电化学活性细菌的生物燃料电池在环境污染治理和可持续绿色能源等方面显示出可观前景。其中，希瓦氏菌(S. oneidensis MR-1)最具代表性。为了提升其产电性能，改良细菌自身的产/导电能力极为关键。已报道细菌改良方法主要包括细菌基因工程以提供特定的蛋白质表达，或利用细菌合成的金属性纳米颗粒增强电子转移，或在细菌外膜插层合成共轭寡电解质帮助跨膜电子转移等。这些方法相对复杂、高成本、产电增强效果不佳，因而实际应用性受限。

该研究团队证明，以亲水性碳点喂养S. oneidensis MR-1可大幅提升其生物产电性能。结果表明，碳点不仅可以吸附于细菌表面，还能被细菌有效摄取，通过与细胞内部的酶/多肽/蛋白的结合，有效地增加其氧化还原反应的电子传递速率，不仅可为跨膜/胞外电子转移提供“快速通道”，还可以“修复”电子转移链缺失了关键蛋白的突变菌的电子传递能力。碳点改良的S. oneidensis MR-1新陈代谢明显加速，表现为细胞内电荷、三磷酸腺苷水平、底物消耗速率、细胞外分泌物以及跨膜/细胞外电子转移速率均大大增加。此外，改良菌还具有更高的表面电负性和电极粘附性，更快更易形成生物膜，更加有利于其在电池阳极的富集和电荷传输。基于改良菌的三电极微生物电化学电池和微生物燃料电池的电流和输出功率分别达到了对照组的7.34和6.46倍。

该工作不仅首次将碳点用于细菌改良，为有效增强生物燃料电池性能提供了简单、成本效益高的新策略，而且也提出了调节细菌新陈代谢水平的有效方法。因而，这一研究进展不仅与水污染处理、绿色能源等领域密切相关，也对改良在食品、医药和饮料工业中使用的其他微生物性能方面有重要指导意义。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14866-0