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Ecological responses to substrates in electroactive biofilm:A review 被引量:5
1
作者 YAN YuQing WANG Xin 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS CSCD 2019年第10期1657-1669,共13页
Substrate as the electron donor of bioelectrochemical system(BES) has fateful impacts on the microbial community composition of electroactive biofilm(EAB), via the selection upon functional microorganisms such as exoe... Substrate as the electron donor of bioelectrochemical system(BES) has fateful impacts on the microbial community composition of electroactive biofilm(EAB), via the selection upon functional microorganisms such as exoelectrogens, fermenters and methanogens, as well as their interactions. Electrochemical performance as the terminal reflects of electroactivity and the correspondence between community members have been summarized. Exoelectrogens responsible to the conversion towards electricity from their respective preferred substrates such as acetate, propionate, glucose and cellulose has been found to be finite in a small range, e.g., Geobacter, Shewanella and Pseudomonas. Their demands of micromolecular electron donors and the selective pressure of primary substrates facilitate the existence of competitive or cooperative biological processes to exoelectrogenesis. The inherent mechanisms of the dynamics of such interactions have been explored with electrochemical methods,defined co-culture experiments and community analysis. Complete view of the metabolic network in electroactive microbial communities has been shed light on, and appeals further investigation. 展开更多
关键词 SUBSTRATES electroactive biofilm bioelectrochemical systems FERMENTATION METHANOGENESIS
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电能细胞的合成生物学设计构建 被引量:3
2
作者 由紫暄 李锋 宋浩 《合成生物学》 CSCD 2022年第5期1031-1059,共29页
电能细胞具有与外界环境进行双向电子交换的能力,包括向外界环境释放电子的产电细胞,以及从外界环境获取电子的噬电细胞,在微生物电化学系统中发挥微生物电催化剂的核心作用。以电能细胞为核心的微生物电化学系统在生态环境治理、绿色... 电能细胞具有与外界环境进行双向电子交换的能力,包括向外界环境释放电子的产电细胞,以及从外界环境获取电子的噬电细胞,在微生物电化学系统中发挥微生物电催化剂的核心作用。以电能细胞为核心的微生物电化学系统在生态环境治理、绿色能源开发、化学品高效合成等方面有着广泛应用。但是野生电能细胞因其摄取底物能力弱、胞内电子通量小、双向跨膜电子传递效率低、生物膜形成能力差等原因,化学能到电能的双向转化效率受到极大限制,是实现微生物电化学系统大规模产业化应用的核心瓶颈。本综述聚焦近5年电能细胞合成生物学改造的最新研究进展,通过分析双向电子传递的分子机制,分类汇总产电细胞和噬电细胞的合成生物学改造策略:(1)工程产电细胞(强化产电细胞的胞内电子生成、胞外传递效率,具体为拓宽底物谱、增强还原力转化,提高胞外传递能力、促进电极生物膜形成);(2)工程噬电细胞(强化噬电细胞胞外电子摄取、还原力转化、产物合成效率,包括提高噬电细胞电子摄取和还原力转化,调控细胞代谢路径电合成化学品和生物燃料)。最后,展望了未来高效电能细胞和微生物电化学系统的设计与构建。 展开更多
关键词 电能细胞 合成生物学 生物电催化 双向电子传递 电活性生物膜
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Dynamic membrane filtration accelerates electroactive biofilms in bioelectrochemical systems
3
作者 Jinning Wang Mei Chen +3 位作者 Jiayao Zhang Xinyi Sun Nan Li Xin Wang 《Environmental Science and Ecotechnology》 SCIE 2024年第4期208-217,共10页
Bioelectrochemical systems(BES)have emerged as a dual-function technology for treating wastewater and recovering energy.A vital element of BES is the rapid formation and maintenance of electroactive biofilms(EABs).Pre... Bioelectrochemical systems(BES)have emerged as a dual-function technology for treating wastewater and recovering energy.A vital element of BES is the rapid formation and maintenance of electroactive biofilms(EABs).Previous attempts to accelerate EAB formation and improve electroactivities focused on enhancing the bacterial adhesion process while neglecting the rate-limiting step of the bacterial transport process.Here,we introduce membrane filtration into BES,establishing a dynamic membrane filtration system that enhances overall performance.We observed that optimal membrane flux considerably reduced the startup time for EAB formation.Specifically,EABs established under a 25 L m^(-2)h^(-1)flux(EAB_(25)LMH)had a formation time of 43.8±1.3 h,notably faster than the 51.4±1.6 h in the static state(EAB_(0)LMH).Additionally,EAB_(25)LMH exhibited a significant increase in maximum current density,approximately 2.2 times higher than EAB_(0)LMH.Pearson correlation analysis indicated a positive relationship between current densities and biomass quantities and an inverse correlation with startup time.Microbial analysis revealed two critical findings:(i)variations in maximum current densities across different filtration conditions were associated with redox-active substances and biomass accumulation,and(ii)the incorporation of a filtration process in EAB formation enhanced the proportion of viable cells and encouraged a more diverse range of electroactive bacteria.Moreover,the novel electroactive membrane demonstrated sustained current production and effective solid-liquid separation during prolonged operation,indicating its potential as a viable alternative in membrane-based systems.This approach not only provides a new operational model for BES but also holds promise for expanding its application in future wastewater treatment solutions. 展开更多
关键词 electroactive biofilm Membrane filtration Spatial structure Mass transfer Microbial community
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分子生物学方法提高电活性微生物胞外电子传递效率的研究进展 被引量:2
4
作者 邵映芝 车鉴 +2 位作者 程驰 江志阳 薛闯 《中国生物工程杂志》 CAS CSCD 北大核心 2021年第6期50-59,共10页
微生物细胞与电极之间的胞外电子传递效率是限制微生物电化学技术发展的关键因素,而分子生物学的发展为提高胞外电子传递效率带来了光明前景。从四种具有代表性的纯培养电活性微生物(奥奈达希瓦氏菌、铜绿假单胞菌、硫还原地杆菌和工程... 微生物细胞与电极之间的胞外电子传递效率是限制微生物电化学技术发展的关键因素,而分子生物学的发展为提高胞外电子传递效率带来了光明前景。从四种具有代表性的纯培养电活性微生物(奥奈达希瓦氏菌、铜绿假单胞菌、硫还原地杆菌和工程大肠杆菌)和混合培养电活性微生物出发,综述了利用分子生物学手段改造几种电活性微生物的研究成果,阐明了针对特异的电活性微生物,如何采取相应的分子生物学手段提高其胞外电子传递的效率,并展望了未来的研究方向。 展开更多
关键词 胞外电子传递 电活性微生物 分子生物学 电活性生物膜
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奥奈达希瓦氏菌电活性生物被膜的研究进展 被引量:2
5
作者 姜淼 李艳冉 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期881-897,共17页
面对日益严峻的能源紧缺与环境污染形势,电活性微生物(electroactive microorganisms)的电催化过程为实现绿色生产提供了新的思路。奥奈达希瓦氏菌具有独特的呼吸方式和电子传递能力,在微生物燃料电池、增值化学品的生物电合成、金属废... 面对日益严峻的能源紧缺与环境污染形势,电活性微生物(electroactive microorganisms)的电催化过程为实现绿色生产提供了新的思路。奥奈达希瓦氏菌具有独特的呼吸方式和电子传递能力,在微生物燃料电池、增值化学品的生物电合成、金属废物处理和环境修复系统等领域有着广泛的应用。奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)电活性生物被膜是实现电活性微生物电子传递过程的优良载体,其形成过程十分复杂且受到多种因素的影响和调控,在增强细菌环境抗逆性、提高电子传递效率等多方面发挥着十分重要的作用。本文较为系统地综述了奥奈达希瓦氏菌生物被膜的形成过程、影响因素及其在生物能源、生物修复和生物传感中的相关应用,为进一步实现其在更多领域的应用提供了理论基础。 展开更多
关键词 电活性微生物 生物被膜 奥奈达希瓦氏菌 电子传递
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邻苯二甲酸二丁酯对电活性生物膜性能影响及机制 被引量:2
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作者 王沛芳 张艺璇 +2 位作者 董跃 张语航 王超 《河海大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2021年第2期113-120,共8页
为进一步探究生物电化学系统(BES)处理市政污水的效能,研究了新兴污染物邻苯二甲酸二丁酯(DBP)对电活性生物膜(EAB)的影响和作用机制。采用电化学工作站、扫描电子显微镜、共聚焦激光扫描显微镜、高通量测序等方法,研究DBP质量浓度对EA... 为进一步探究生物电化学系统(BES)处理市政污水的效能,研究了新兴污染物邻苯二甲酸二丁酯(DBP)对电活性生物膜(EAB)的影响和作用机制。采用电化学工作站、扫描电子显微镜、共聚焦激光扫描显微镜、高通量测序等方法,研究DBP质量浓度对EAB电化学活性、主要成分、微观形态、空间结构以及微生物群落结构的影响。结果表明:在高质量浓度DBP(10 mg/L)条件下,BES的最高输出电压和功率密度分别为0.24 V和113.34 mW/m^(2);较低质量浓度DBP(1 mg/L)条件下,BES的最高输出电压和功率密度分别下降33.33%和31.47%,两者均低于空白对照组。生物膜中的蛋白和多糖成分的测定结果表明,高质量浓度DBP会刺激β-多糖的分泌,并在激光共聚焦图像上表现出强烈的蓝色信号,而蛋白和α-多糖的含量没有显著变化。对不同DBP质量浓度下的EAB进行微生物群落分析的结果显示,Petrimonas和Aquamicrobium菌是高质量浓度DBP条件下的优势菌群,而DBP会降低EAB的电化学活性,在对照组的EAB中,典型的电活性菌Rhodopseudomonas和Rhodococcus占据主导地位。 展开更多
关键词 邻苯二甲酸二丁酯 电活性生物膜 胞外聚合物 电化学性能 市政污水处理
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合成生物学方法改造电活性生物膜研究进展 被引量:1
7
作者 徐静 由紫暄 +4 位作者 张君奇 陈正 吴德光 李锋 宋浩 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期3950-3962,共13页
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... 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。 展开更多
关键词 电活性微生物 生物膜 合成生物学 生物催化 胞外电子传递 微生物电催化
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基于铁修饰碳纳米纤维阳极的微生物燃料电池
8
作者 黎铭崧 韩笑 +3 位作者 何秀 汪睿杰 鲁志松 乔琰 《功能材料与器件学报》 CAS 2021年第5期408-415,共8页
本文用乙酰丙酮铁作为铁源,利用静电纺丝和简单高温碳化制备了铁修饰碳纳米纤维(Fe@CNF)并应用于希瓦氏菌微生物燃料电池以促进阳极界面电子传递过程。结果表明铁修饰后的碳纳米纤维上具有2~10 nm的孔隙,因而比表面积较未修饰的纤维显... 本文用乙酰丙酮铁作为铁源,利用静电纺丝和简单高温碳化制备了铁修饰碳纳米纤维(Fe@CNF)并应用于希瓦氏菌微生物燃料电池以促进阳极界面电子传递过程。结果表明铁修饰后的碳纳米纤维上具有2~10 nm的孔隙,因而比表面积较未修饰的纤维显著提高,能够为界面电化学反应提供更多活性位点。此外,Fe@CNF中低价态铁元素含量随着前驱体中铁源含量的增加而增多,最终铁含量较高的Fe@CNF-Ⅲ阳极在微生物燃料电池中获得最佳性能,电化学分析数据及电极形貌观察揭示其原因可能是低价态铁含量的增加促进了电极表面电活性生物膜的形成以及希瓦氏菌与电极间的界面电子传递。 展开更多
关键词 微生物燃料电池 铁修饰碳纳米纤维 静电纺丝 电活性生物膜 界面电子传递
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电活性菌藻生物膜强化人工湿地处理水产养殖废水的小试研究 被引量:4
9
作者 林梓杨 匡彬 +2 位作者 倪智力 周丽琳 汪涛 《水处理技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期122-127,共6页
人工湿地(CW)处理鱼塘养殖废水存在处理效率低、稳定性差等问题。本研究采用电活性菌藻生物膜(BA)以微生物燃料电池(MFC)形式强化CW处理鱼塘养殖废水,即BA-MFC-CW。与CW组相比,BA-MFC-CW组对COD、总磷、总氮的去除率分别提高了26.69%、2... 人工湿地(CW)处理鱼塘养殖废水存在处理效率低、稳定性差等问题。本研究采用电活性菌藻生物膜(BA)以微生物燃料电池(MFC)形式强化CW处理鱼塘养殖废水,即BA-MFC-CW。与CW组相比,BA-MFC-CW组对COD、总磷、总氮的去除率分别提高了26.69%、23.17%、16.67%。相比MFC-CW组,BA-MFC-CW组对COD、总磷、总氮去除率分别提高了0.95%、25.64%、6.48%。高通量测序表明,在电活性菌藻生物膜中,Acinetobacter、Cyanobium、Pseudomonas和Ottowia得到富集;在MFC阳极上,Geobacter、Aminicenantales和Clostridium生长状况良好。以上结果表明,电活性菌藻生物膜技术能够有效提高人工湿地处理水产养殖废水的效果。 展开更多
关键词 电活性菌藻生物膜 人工湿地 微生物燃料电池 水产养殖废水 小试
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电活性菌藻膜耦合虹吸曝气技术处理海水养殖废水 被引量:2
10
作者 匡彬 周丽琳 +3 位作者 蔡传林 龙禧 张宝雯 汪涛 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第21期205-212,共8页
人工湿地耦合微生物燃料电池(constructed wetland-microbial fuel cell,CW-MFC)被广泛应用于低碳氮比水产养殖废水处理。然而,高盐度抑制限制了其在海水养殖废水处理中的应用。针对高盐抑制,该研究利用海水底泥和海洋微藻构建电活性菌... 人工湿地耦合微生物燃料电池(constructed wetland-microbial fuel cell,CW-MFC)被广泛应用于低碳氮比水产养殖废水处理。然而,高盐度抑制限制了其在海水养殖废水处理中的应用。针对高盐抑制,该研究利用海水底泥和海洋微藻构建电活性菌藻生物膜并结合虹吸曝气技术强化CW-MFC处理海水养殖废水。相比CW-MFC,强化系统对化学需氧量、总磷、总氮、磺胺甲恶唑、Cu^(2+)的去除率分别提高33.46%,31.07%、25.64%、12.03%、24.25%。高通量测序显示,硝化和反硝化细菌Marinobacter、Muricauda、Xanthomarina生长状况良好;在MFC阳极和电活性菌藻生物膜表面,胞外呼细菌Geobacteraceae和Pseudomonas以及海洋微藻细菌Pseudooceanicola和Hoeflea被显著富集。研究结果表明,电活性菌藻生物膜耦合虹吸曝气技术可以有效提高CW-MFC系统处理海水养殖废水的效能。 展开更多
关键词 水产养殖 海水 微生物燃料电池 虹吸曝气 海水养殖废水 电活性生物膜 人工湿地
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