微生物-纳米材料复合体系的构建及环境应用
1. 由细菌与半导电纳米材料组成的耦合体系可有效协同光催化材料优异的光吸收能力和菌体的污染物代谢能力和自我繁殖能力，从而同步利用太阳能和废水中的化学能驱动各种可再生能源与化学品的绿色合成。然而，现有生物-光催化材料复合体主要利用体外人工合成的半导体材料来构建，普遍存在光电子利用效率低、抑制细胞活性和难以再生循环利用等问题，从而限制了其实际应用。针对这一挑战，我们提出了利用细胞自组装合成的金属纳米材料原位构建可再生细胞-材料复合体的新策略，以大肠杆菌为模式菌在无氧条件下高效胞内合成了硒化镉量子点（合成速率比常规好氧生物合成体系提高了两个数量级），进而自发形成了高活性的菌-量子点复合体，其在可见光下的光催化产氢量子效率高大28.7%，优于现有的所有菌-材料复合体。另外，证实了该复合体应用于实际废水处理和同步光催化产氢的可行性。该研究成果对于推动纳米材料生物合成技术的发展和指导细菌-材料复合体系的优化构建及在能源、环境等领域的应用具有重要意义。成果发表在Nanoscale (2022,14, 8409-8417)。
2. 废水中的有机物是能源与化学品生产的重要来源，其资源化利用是实现低碳废水管理和水资源可持续性的有效途径。目前，厌氧微生物工艺是将废水中有机物转化为氢气或其他高附加值产物的常用方法。然而，由于废水成分复杂且微生物代谢过程中可用的还原力有限，单纯的生物方法往往转化效率较低。团队构建了一种基于rGO增强的PBS（CdS/rGO-MR-1 PBS），并从分子层面探究了rGO对IET及PBS活性与稳定性的作用机制。该系统通过先将CdS与rGO复合，再与Shewanella oneidensis MR-1细菌混合组装而成。结果表明，rGO不仅显著加速了电子传递，还减弱了CdS光腐蚀及细菌的氧化应激水平，从而显著提升了PBS的反应活性与稳定性。成果发表在ACS ES&T Engineering上。https://doi.org/10.1021/acsestengg.4c00729