李传福
基于微生物燃料电池平台,缺陷短波单胞菌合成硒纳米粒子
2024-6-21 21:25
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埃及艾因·夏姆斯大学研究人员报道了一项创新的研究成果,即利用一种名为缺陷短波单胞菌(Brevundimonasdiminuta)的细菌共生体,在单室微生物燃料电池(SCMFC)中对硒酸盐(一种有毒的硒化合物)进行生物还原,同时生成生物电和硒纳米粒子(SeNPs)。这项研究不仅展示了一种环境友好的污水处理技术,还为回收有价值的纳米材料提供了新思路。

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在地球的生态系统中,硒是一种双刃剑。作为一种必需的微量元素,硒对人体健康至关重要,但当它以特定的化合物形式存在时,如硒酸盐,却可能对生物体造成毒性。随着工业发展,硒污染问题日益严重,迫切需要一种既能处理这种污染又能回收有用资源的环保技术。本篇文章将带您了解一种新型的生物电化学系统——单室微生物燃料电池(SCMFC),以及一种名为缺陷短波单胞菌的细菌如何在这个系统中发挥重要作用。

硒是人体必需的微量元素之一,它具有抗氧化、免疫调节甚至抗癌的作用。然而,当硒以硒酸盐的形式存在时,它却是一种环境污染物,能对生态系统造成严重破坏。工业排放、矿业活动和农业施肥都可能导致硒酸盐的排放,进而污染土壤和水体。

微生物燃料电池(MFC)是一种将微生物代谢活动与电化学过程相结合的装置。在MFC中,微生物能够将有机物质转化为电能,同时减少污染物。这种技术为污水处理和能源回收提供了一种全新的解决方案。

缺陷短波单胞菌是一种具有高度硒酸盐抗性的细菌,它在本研究中被证明能够有效地在SCMFC中还原硒酸盐。这种细菌不仅能够耐受高浓度的硒酸盐,还能够将其转化为相对无毒的硒纳米粒子,同时促进微生物燃料电池的电能产生。

研究人员优化了缺陷短波单胞菌生长的条件,包括硒酸盐浓度、电子供体(醋酸钠)、阳极和阴极细菌接种量。实验结果显示,在最佳条件下,缺陷短波单胞菌能够实现高达99.08%的硒酸盐还原和89.94%的化学需氧量(COD)去除。

通过紫外-可见光谱(UV)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析,研究人员确认了硒纳米粒子(SeNPs)的合成。透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)进一步揭示了SeNPs纳米球的形成。这些SeNPs不仅是一种有价值的工业材料,还可能在半导体、生物医学、太阳能电池等领域发挥重要作用。

研究人员还评估了缺陷短波单胞菌在SCMFC中的生物电化学性能。通过循环伏安法和电化学阻抗谱(EIS)分析,研究人员发现缺陷短波单胞菌能够产生特定的胞外氧化还原介质,这可能参与了硒酸盐还原过程中的电子传递。

这项研究不仅展示了缺陷短波单胞菌在生物修复和能源回收方面的潜力,还为开发新型环保技术提供了科学依据。通过微生物燃料电池,我们不仅能够处理工业废水中的有毒污染物,还能够同时回收有价值的纳米材料,实现环境治理和资源循环利用的双重目标。

随着对缺陷短波单胞菌等微生物的深入研究,我们有望开发出更多高效、环保的生物修复技术。这些技术将有助于缓解环境污染问题,同时为可持续能源的开发和新材料的合成开辟新的道路。

Sakr, E.A., Khater, D.Z. & El‑khatib, K.M. Electroactive Brevundimonas diminuta consortium mediated selenite bioreduction, biogenesis of selenium nanoparticles and bio-electricity generation. J Nanobiotechnol 22, 352 (2024). https://doi.org/10.1186/s12951-024-02577-3

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