Оксид графена

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 21867 (2016) Цитировать эту статью

4182 Доступа

55 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Оксид графена (ГО) восстанавливается некоторыми экзоэлектрогенными бактериями, но его влияние на рост и метаболизм бактерий является спорным вопросом. Целью этого исследования было определить, действует ли ГО как терминальный акцептор электронов, обеспечивая специфический рост и производство электроэнергии экзоэлектрогенными бактериями. Культивирование образцов окружающей среды с ГО и ацетатом в качестве единственного субстрата может специфически обогащать экзоэлектрогенные бактерии с преобладанием видов Geobacter (51–68% от общей популяции). Интересно, что бактерии в этих культурах самоагрегировались в проводящий гидрогелевый комплекс вместе с биологически восстановленной ГО (рГО). Новая ГО-дышащая бактерия, получившая название Geobacter sp. штамм R4 был выделен из этого гидрогелевого комплекса. Этот организм демонстрировал стабильное производство электричества при >1000 мкА/см3 (при 200 мВ по сравнению с Ag/AgCl) в течение более 60 дней с помощью rGO, в то время как временное производство электричества с использованием графитового войлока. Лучшее производство электроэнергии зависит от характеристик rGO, таких как большая площадь поверхности для роста биопленки, большая емкость и меньшее внутреннее сопротивление. Это первый отчет, демонстрирующий GO-зависимый рост экзоэлектрогенных бактерий при формировании проводящего гидрогелевого комплекса с rGO. Простой процесс «поставь и подожди», приводящий к образованию гидрогелевых комплексов rGO и экзоэлектрогенов, позволит более широко применять GO в биоэлектрохимических системах.

Биоэлектрохимические системы (БЭС)1 или микробные электрохимические системы (МЭС)2 — это устройства электрохимических реакций с использованием микроорганизмов в качестве катализаторов. Микробные топливные элементы (МТЭ) являются представителем БЭС, генерирующих электроны на электроде посредством микробного окисления органических соединений3. Экзоэлектрогенные бактерии характеризуются своей уникальной функцией, называемой внеклеточным переносом электронов (EET)4, и являются посредниками в производстве электроэнергии в BES. Представители родов Geobacter и Shewanella являются наиболее изученными экзоэлектрогенами, которые могут переносить электроны напрямую путем прикрепления к электроду и опосредованно через окислительно-восстановительные медиаторы5,6.

Эффективность BES связана в основном с ЭЭТ в бактериальных биопленках, развивающихся на электроде, и в меньшей степени с непрямой ЭЭТ планктонными клетками внутри аппарата7. Следовательно, материал электрода является важным фактором, определяющим образование биопленок и эффективность переноса электронов на границе раздела клетка-электрод. Поскольку углеродные электроды химически стабильны и хороши для образования бактериальных биопленок, электроды этого типа предпочтительно применяются к BES8,9. В частности, для практического использования были приняты во внимание графитовый войлок, угольная щетка и углеродная ткань из-за их коммерческой доступности, экспериментальных характеристик и экономической выгоды. Одним из возможных важных факторов, влияющих на производительность электродов, является площадь поверхности. Электрод, имеющий большую площадь поверхности, может позволить прикрепить больше бактериальных клеток, чем электрод с чистым углеродом или графитом10. Недавним техническим прогрессом в этой области исследований является модификация анода с использованием производных графена, которые демонстрируют более высокие характеристики11,12,13.

Графен, однослойная сотовая решетка из атомов углерода, имеет преимущества, заключающиеся в высокой проводимости и большой площади поверхности разного порядка, например, 2965 м2/г для графена14 и 0,02 м2/г для графитового войлока10. Однако непосредственное применение графена в БЭС затруднительно, поскольку он представляет собой гидрофобный порошок и для использования в БЭС требуется комплекс с опорными электродами. Было показано, что добавление оксида графена (GO), окисленной формы графена, в реакционную камеру BES усиливает перенос электронов на углеродный электрод15,16. ГО сам по себе не является электропроводным, но становится проводником при восстановлении микроорганизмами17,18. Здесь эта восстановленная форма ГО обозначена просто как восстановленная ГО (рГО), поскольку информация о ее химической принадлежности отсутствует. Бактериальное снижение ГО было впервые продемонстрировано в культурах видов Shewanella, а затем в Escherichia coli19 и сложных смешанных популяциях20. Виды Shewanella снижали ГО за счет использования окислительно-восстановительного белка, участвующего в EET17,18. Кроме того, содержание ГО было снижено в бесклеточном экстракте культуры Shewanella17, возможно, за счет небольших биомолекул, таких как витамин С21. Эти результаты поднимают вопрос о том, служит ли ГО акцептором электронов для взаимодействия EET с окислением субстрата у экзоэлектрогенных бактерий, тем самым обеспечивая их рост. До сих пор рост бактерий за счет дыхания ГО еще полностью не продемонстрирован. С другой стороны, также было показано, что ГО обладает антибактериальной или бактерицидной активностью22,23. Эти результаты дают еще одно предположение о том, что ГО работает как простой сток электронов, а не как терминальный акцептор электронов, обеспечивающий респираторный рост. Поэтому сведения о влиянии ГО на рост и метаболизм бактерий в настоящее время фрагментарны и неопределенны. Эта ситуация ограничила применение GO к BES.