近年來(lái)，基于電化學(xué)活性細菌的生物燃料電池在環(huán)境污染治理和可持續綠色能源等方面顯示出可觀(guān)前景。其中，希瓦氏菌(S. oneidensis MR-1)最具代表性。為了提升其產(chǎn)電性能，改良細菌自身的產(chǎn)/導電能力極為關(guān)鍵。已報道細菌改良方法主要包括細菌基因工程以提供特定的蛋白質(zhì)表達，或利用細菌合成的金屬性納米顆粒增強電子轉移，或在細菌外膜插層合成共軛寡電解質(zhì)幫助跨膜電子轉移等。這些方法相對復雜、高成本、產(chǎn)電增強效果不佳，因而實(shí)際應用性受限。

  于淼教授課題組在微生物燃料電池研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)結果以“Carbon dots-fed Shewanella oneidensis MR-1 for bioelectricity enhancement”為題發(fā)表在Nature Communications 上(DOI: 10.1038/s41467-020-14866-0)。

  本工作證明，以親水性碳點(diǎn)喂養S.oneidensis MR-1可大幅提升其生物產(chǎn)電性能。碳點(diǎn)不僅可以吸附于細菌表面，還能被細菌有效攝取，通過(guò)與細胞內部的酶/多肽/蛋白的結合，有效地增加其氧化還原反應的電子傳遞速率，不僅可為跨膜/胞外電子轉移提供“快速通道”，還可以 “修復”電子轉移鏈缺失了關(guān)鍵蛋白的突變菌的電子傳遞能力。碳點(diǎn)改良的S.oneidensis MR-1新陳代謝明顯加速，表現為細胞內電荷、三磷酸腺苷水平、底物消耗速率、細胞外分泌物以及跨膜/細胞外電子轉移速率均大大增加。此外，碳點(diǎn)喂養的改良菌還具有更高的表面電負性和電極粘附性，更快更易形成生物膜，更加有利于其在電池陽(yáng)極的富集和電荷傳輸。基于改良菌的三電極微生物電化學(xué)電池和微生物燃料電池的電流和輸出功率分別達到了對照組的7.34和6.46倍。

  該工作不僅首次將碳點(diǎn)用于細菌改良，為有效增強生物燃料電池性能提供了簡(jiǎn)單、成本效益高的新策略，而且也提出了調節細菌新陳代謝水平的有效方法。因而，這一研究進(jìn)展不僅與水污染處理、綠色能源等領(lǐng)域密切相關(guān)，也對改良在食品、醫藥和飲料工業(yè)中使用的其他微生物性能方面有重要指導意義。