青島能源所在微生物燃料電池研究取得系列進展

　　近日，在國家自然科學基金和中國科學院知識創新工程重要方向項目等項目支持下，中國科學院青島生物能源與過程研究所生物傳感器團隊負責人、中科院“百人計劃”入選者劉愛驊等在基于木糖脫氫酶表面展示體系的微生物燃料電池研究取得新進展。

　　生物燃料電池是指以微生物或酶為催化劑，將生物燃料中的化學能直接轉化為電能。較傳統燃料電池有如下特點：1)燃料來源廣泛，自然界的可再生有機物都可能作為燃料;2)反應條件溫和，可在常溫、常壓、中性pH值條件下進行;3)生物相容性好，可為植入人體的人造器官或生物傳感器提供能源。該團隊通過細菌表面展示技術構建酶的微型生物工廠，省去了酶生產過程中耗時、高成本的純化過程(Analytical Chemistry 2012, 84, 275-282)。

　　同時，該團隊基于細菌表面展示的木糖脫氫酶(bacteria-XDH), 通過優化條件，構筑了bacteria-XDH /聚亮燦甲酚蘭/多壁碳納米管/玻碳電極 (bacteria-XDH/PBCB/MWNTs/GCE)為生物陽極和膽紅素氧化酶修飾的電極為生物陰極的無隔膜生物燃料電池。該體系開路電位可達 0.58V，最大輸出功率密度為63 μWcm-2(圖1，曲線e)，對比于相同酶活提純的XDH修飾的陽極(圖1，曲線d)，功率提高60%。該研究將酶的細菌表面展示技術應用于生物燃料電池，既解決了微生物燃料電池中普遍存在的跨膜電子傳遞與物質運輸的問題，又解決了酶燃料電池研究中酶的穩定性低、成本高的問題。(Biosensors & Bioelectronics 2013, 44, 160-163)

　　一般認為， 17%到31%的木質纖維素經水解后會轉化為木糖，如何提高微生物發酵木糖的轉化率成為以木質纖維素為原料生產燃料乙醇的技術瓶頸之一。目前，微生物發酵方法耗時長、副產物多、產率低，降低了木糖的利用率。本研究可望為木質纖維素水解產物的高效利用特別是直接將木質纖維素水解產物轉發為電能開辟了新途徑。

　　此外，基于微生物表面展示系統的設計和構建，該團隊開發了一系列基于電化學修飾電極檢測木糖和葡萄糖的方法。這些方法可實現復雜體系包括木質纖維素降解液中木糖或葡萄糖的高靈敏、低干擾、快速檢測或共檢測。相關研究成果發表在Analytical Chemistry 2012, 84, 275-282和Biosensors & Bioelectronics 2012, 33, 100-105; 2013, 42, 156-162; 2013, 45, 19-24。

　　圖1. A) 基于不同生物陽極的生物燃料電池的功率密度輸出曲線。(a) XDH/MWNTs/GCE生物陽極，10 mM NAD+; (b) XDH/MWNTs/GCE生物陽極, 30 mM木糖+10 mM NAD+; (c)XDH/PBCB/MWNTs/GCE生物陽極, 10 mM NAD+; (d) XDH/PBCB/MWNTs/GCE生物陽極, 30 mM木糖+ 10 mM NAD+; (e) bacteria-XDH/PBCB/MWNTs/GCE生物陽極，30 mM木糖+ 10 mM NAD+。B), 以bacteria-XDH/PBCB/MWNTs/GCE為生物陽極的燃料電池的最大輸出功率密度與木糖濃度的關系曲線圖。支持電解質為氧氣飽和的 0.1M PBS溶液(pH7.4)。