一种构建具有高活性的生物膜催化电极的方法技术

本发明专利技术公开了一种构建具有高活性的生物膜催化电极的方法，属于生物电化学领域。本发明专利技术组建生物电化学池，向生物电化学池中的培养基接种电化学活性细菌并运行生物电化学池，恒定阳极电位以定向驯化细菌的电化学活性，维持培养基中低水平氧气以促进生物膜形成，施加水力剪切使电极表面粘附不牢的细菌脱落，连续更换培养基以淘汰悬浮生长的菌体细胞。本发明专利技术能够低成本且快速地构建具有高活性的生物膜催化电极，形成较厚且稳定的生物膜，在化学品或污染物传感方面具有应用价值。污染物传感方面具有应用价值。污染物传感方面具有应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种构建具有高活性的生物膜催化电极的方法


[0001]本专利技术涉及生物电化学领域，具体是一种构建具有高活性的生物膜催化电极的方法。

技术介绍

[0002]随着国家对污染治理和污染预防的需求日趋强烈，微生物电化学技术作为绿色化学的典型方案而表现出突出价值。微生物电化学技术的核心在于微生物细胞或蛋白与固体电极之间的界面电化学活性。自1911年英国生物学家Potter首次发现微生物可以产生电流后，多种酶和细菌被固定在电极表面以期构建性能优异的电化学界面，却受制于酶的失活和细菌外膜/细胞壁的绝缘阻碍。电化学活性微生物中一部分异化金属还原细菌存在跨外膜的导电通道并借此进行呼吸代谢，为构建高效生物电化学体系提供了分子条件。借助其导电通道，该部分微生物有能力利用多种天然或非天然的电子受体(如偶氮染料和高价金属/类金属离子)进行还原呼吸，是生物电化学催化技术应用的绝佳选择。
[0003]与电极之间建立有效的导电连接，是这些新型的电化学活性微生物能用于提高生物电化学技术水平的前提。然而，以经典的兼性好氧电化学微生物奥奈达希瓦氏菌为例，其对电极的粘附能力有限，难以形成较厚且稳定的生物膜，或者形成的生物内膜仅具有较弱的电化学活性。为此，本领域技术人员对奥奈达希瓦氏菌等电化学活性细菌进行基因改造，表达更多的胞外多糖来提高细菌的粘附效果，表达更多的细胞色素c提高发电能力。然而，这些改造对细菌电化学活性提高有限，却大幅增加了其应用的技术复杂度和经济技术成本。因此，针对电化学活性细菌开发简便易用且可靠的电化学催化技术方案，实现其生物电化学活性的大幅提高十分重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种简易、低成本构建具有高活性且稳定的生物膜催化电极的方法。
[0005]本专利技术的构建具有高活性的生物膜催化电极的方法，包括以下步骤：
[0006]组建生物电化学池，向生物电化学池中的培养基接种电化学活性细菌，在阳极电位下运行生物电化学池使细菌在电极表面受到电化学驯化，维持培养基中低水平氧气使细菌进行一定程度的有氧呼吸同时促进细菌在电极表面粘附和生长，施加水力剪切使电极表面粘附不牢的细菌脱落，连续更换培养基以淘汰悬浮生长的菌体细胞并使营养物质主要供应电极表面的细菌生长利用。
[0007]优选，所述的维持培养基中低水平氧气是维持培养基溶解氧水平为0.1mg/L到8mg/L。
[0008]优选，所述的施加水力剪切使培养基中粘附不牢的细菌脱落是搅拌培养基使其转动。进一步优选是在培养基中加入搅拌子，转速为80
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400rpm。
[0009]优选，所述的连续更换培养基是每隔24小时更换一次培养基。
[0010]优选，所述的细菌是好氧和兼性好氧电化学活性细菌，如奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)MR
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1。
[0011]优选，所述的生物电化学池是单室三电极生物电化学池，三电极包括石墨片工作电极、铂丝对电极和银
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氯化银参比电极，其中石墨片工作电极通过钛丝连接到电化学回路中，电化学池中加入1/2体积的培养基作为电解液并接种电化学活性细菌菌液，工作电极的电位需要被恒定在
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0.2V到+0.6V vs.SHE之间，电化学池顶空中的氧气被细菌用于生长，每隔24小时更换电解池和电解液为新鲜、无菌的电解池和培养基，并用无菌水清洗电极表面，更换的新鲜培养基使用乳酸钠矿物盐培养基外加浓度为1g/L的酵母提取物，更换电解池和培养基过程前暂时中断恒电位控制，运行循环伏安扫描，电势范围从
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0.5V到+0.4V vs.SHE，标准氢电极SHE；扫描速率是5mV/s。
[0012]优选，所述的生物电化学池的电化学工作站是CHI1040C，提供工作电极的电位为+0.4Vvs.SHE。
[0013]本专利技术利用好氧和兼性好氧电化学活性微生物的生理特点，设计专门的培养方案以优化其生物膜在电极材料表面的形成和强度，使导电细胞色素c充分表达，从而得到具有高水平电化学活性和耐受水力剪切破坏的生物膜电极。具体原理是，好氧和兼性好氧电化学活性微生物在丰富培养基中进行有氧呼吸时可以快速生长、合成细胞色素c，同时氧化性的胞外环境有利于细胞色素c的熟化；另一方面，它的团聚和成膜能力受到氧气水平的调控，在长时间维持一定溶解氧水平时可以很好地形成生物膜。利用这一原理，本专利技术在生物电化学池中提供丰富营养培养基以及持续低水平氧气供其进行有氧呼吸、生长并在电极表面粘附；连续更换培养基以淘汰悬浮生长的菌体细胞，解除其对营养物和氧气的竞争，促进电极表面菌体细胞的生长和分裂，提高细胞色素c的表达水平；施加氧化性电位使电极表面的细菌在进行有限的好氧呼吸的同时也可以进行电极呼吸，使逐渐生长的细菌受到电化学驯化作用，形成更加有效的胞外电子传递通道；施加水力剪切使粘附不牢的细菌脱落、生物膜的强度更加稳固，菌体与电极的电化学相互作用更强。
[0014]本专利技术能够低成本且快速地构建具有高活性的生物膜催化电极，形成较厚且稳定的生物膜，在化学品或污染物传感方面具有应用价值。
附图说明
[0015]图1是生物膜培养所用的单室三电极电化学池装置示意图
[0016]图2是图1中的工作电极结构示意图
[0017]图3是奥奈达希瓦氏菌MR
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1生物膜培育过程中的电流监测图
[0018]图4是奥奈达希瓦氏菌MR
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1生物膜的荧光显微镜视野图
[0019]图5是奥奈达希瓦氏菌MR
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1生物膜培养过程中的循环伏安信号
[0020]图6是苋菜红在奥奈达希瓦氏菌MR
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1生物膜催化电极上的循环伏安信号
[0021]图7是重铬酸根离子在奥奈达希瓦氏菌MR
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1生物膜催化电极上的循环伏安信号
具体实施方式
[0022]以下实施例是对本专利技术的进一步说明，而不是对本专利技术的限制。
[0023]实施例1
[0024]一、组建单室三电极生物电化学池
[0025]如图1和图2所示，实验组的单室三电极生物电化学池组装前需要将玻璃瓶1、培养基2、搅拌子3、橡胶塞4、工作电极5一起高温高压灭菌。其中橡胶塞4作为密封材料和电极固定材料，密封玻璃瓶口，使用前提前钻孔以便参比电极6和对电极7穿过它。工作电极5为金属丝51连接的导电电极材料52两片。灭菌前，提前将工作电极5的金属丝51穿过橡胶塞4组装起来，使导电电极材料位于玻璃瓶1中。组装时，在无菌工作台中，将经过75％酒精消毒和短时间紫外线杀菌的参比电极6和对电极7穿过橡胶塞4伸入玻璃瓶1中。玻璃瓶1选用250mL玻璃蓝盖瓶，培养基2选用125mL LB培养基，橡胶塞4选用丁基橡胶塞，金属丝51选用钛丝，导电电极材料52选用石墨片，参比电极6选用银
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氯化银参比电极，对电极7选用铂丝对电极。
[0026]以常规生物膜培养方案为对照组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种构建具有高活性的生物膜催化电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：组建生物电化学池，向生物电化学池中的培养基接种电化学活性细菌，在阳极电位下运行生物电化学池使细菌在电极表面受到电化学驯化，维持培养基中低水平氧气使细菌进行一定程度的有氧呼吸同时促进细菌在电极表面粘附和生长，施加水力剪切使电极表面粘附不牢的细菌脱落，连续更换培养基以淘汰悬浮生长的菌体细胞并使营养物质主要供应电极表面的细菌生长利用。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的维持培养基中低水平氧气是维持培养基溶解氧水平为0.1mg/L到8mg/L。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的施加水力剪切使培养基中粘附不牢的细菌脱落是搅拌培养基使其转动。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，是在培养基中加入搅拌子，转速为80
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400rpm。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的连续更换培养基是每隔24小时更换一次培养基。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的细菌是好氧和兼性好氧电化学活性细菌。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的细菌是奥奈达希瓦...

【专利技术属性】
技术研发人员：李道波，许玫英，郑晓丹，吴熔熔，
申请(专利权)人：广东省科学院微生物研究所广东省微生物分析检测中心，
类型：发明
国别省市：