[发明专利]一种构建具有高活性的生物膜催化电极的方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明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：

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。

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。

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80-400rpm。

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。

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-1。

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-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-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-0.5V到+0.4Vvs.SHE，标准氢电极SHE；扫描速率是5mV/s。