1. 研究目的与意义
微生物燃料电池( Microbial fuel cells，MFCs) 技术作为一种节能型污水处理新技术，能够氧化降解各类有机污染物，并同步产生清洁电能，在污废水处理、生物传感器、生态修复等领域具有发展潜力。但微生物代谢产电效率低制约其规模化应用，筛选及培养高效产电微生物对促进 MFCs 的产电性能具有重要作用。
地杆菌属和希瓦氏菌属是重要的产电微生物，但大多数微生物都是无效的电催化剂，因为它们缺乏与细胞外固体导体交换电子的天然能力。基因工程提供了一种有效的解决办法，通过这种自上而下的方式可以培育出高产电效率的微生物，但由于许多物种缺乏基因操作工具而使这种方法受到挑战。此外，还可以通过化学改性来放大微生物催化电流。由于细菌在一定程度上具有金属耐受性。而且金属颗粒与纳米导线或氧化还原穿梭体相比具有优异的导电性，能够在不损害微生物活性的同时提高 EET 效率。因此可将金属纳米颗粒原位结合到生物膜上。此外，产电微生物作为微生物燃料电池的重要组成部分，其作用机制还不够完善，研究的成果还不是特别成熟，通过对细菌化学改性，可以进一步研究产电微生物的胞外电子传递机制， 提高电子转移效率。
2. 研究内容和预期目标
针对微生物电化学技术面临的化学能到电能的转化和相应的生物电子传递机制等问题。本课题拟以电活性微生物希瓦氏菌为研究对象，利用磁性纳米材料构建具有特殊生物电化学活性的杂合希瓦氏菌，结合磁场耦合加快生物-非生物界面上的生物电催化过程和电子转移速率并使生物电化学系统达到高效的物质转化和能量转移效率。从宏观上生物-非生物界面电子流和能量流过程到微观上单个细菌膜内外电子传递信号变化，对磁场耦合强化微生物电化学系统界面电子、底物代谢和能量传递的作用机制进行剖析和归纳。
3. 研究的方法与步骤
采用水热合成法合成MFe2O4（M=Co，Ni，Mn）铁氧体纳米颗粒。
腐败链球菌CN32菌株培养（30C，220 rpm，16小时）。通过离心（6000 rpm，6分钟）收获后，将细胞重新悬浮在补充有乳酸钠（18 mM）的M9缓冲液中。然后将细胞与MFe2O4（M＝Co，Ni，Mn）纳米颗粒混合，在振荡（220rpm）下孵育3小时，我们获得了不同的自组装细菌。然后，通过离心收集获得的细胞颗粒，并用电子供体将其重新悬浮在M9缓冲溶液中。用纯氮气吹扫所得的电池悬浮液（30分钟），然后将其加入MFC或半电池的阳极室中。所有测试均严格在厌氧条件下进行。
细胞的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析。首先使用4%多聚甲醛固定细胞10小时，然后使用不同浓度的乙醇（30-100%）脱水，并在25C下真空干燥。然后，用SEM（JEOL，JSM-7800F，日本）、TEM扫描系统进一步观察样品
4. 参考文献
1. B. E. Logan, R. Rossi, A. Ragab, P. E. Saikaly. Electroactive microorganisms in bioelectrochemical systems. Nat. Rev. Microbiol., 2019, 17(5): 307-319.
2. Y. J. Ma, X. S. Wu*, Z. Z. Shi, X. F. Li, S. W. Qian, X. Sun, W. Sun, C. X. Guo, C. M. Li*. Photo-active manganese ferrite-modified bacteria anode to simultaneously boost both mediating and direct electron transfer process in microbial fuel cells. ACS Sustain. Chem. Eng., 2022, 10, 3355-3362.
5. 计划与进度安排
(1) 第1周~第4周，查阅资料，制定实验方案与计划，准备开题报告；外文论文翻译，论文前言部分的撰写；
(2) 第5周~第8周，构建合成具有特殊电化学活性的杂合希瓦氏菌工艺条件及调控优化，将不同种类、粒径大小和浓度的磁性纳米材料负载在电活性微生物希瓦氏菌（S. putrefaciens CN32和S. oneidensis MR-1）上用于构建杂合希瓦氏菌；为分析磁性纳米材料颗粒以及磁场对微生物生长状态的影响；
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