近日，在國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目等項(xiàng)目支持下,，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所生物傳感器團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,、中科院“百人計(jì)劃”入選者劉愛(ài)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(jìn)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。較傳統(tǒng)燃料電池有如下特點(diǎn)：
1）燃料來(lái)源廣泛,，自然界的可再生有機(jī)物都可能作為燃料,；
2）反應(yīng)條件溫和，可在常溫,、常壓,、中性pH值條件下進(jìn)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(tuán)隊(duì)通過(guò)細(xì)菌表面展示技術(shù)構(gòu)建酶的微型生物工廠，省去了酶生產(chǎn)過(guò)程中耗時(shí),、高成本的純化過(guò)程（Analytical Chemistry 2012, 84, 275-282）,。
同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)基于細(xì)菌表面展示的木糖脫氫酶(bacteria-XDH), 通過(guò)優(yōu)化條件,，構(gòu)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(yáng)極和膽紅素氧化酶修飾的電極為生物陰極的無(wú)隔膜生物燃料電池,。該體系開(kāi)路電位可達(dá)0.58V,，最大輸出功率密度為63 μWcm-2（圖1,，曲線(xiàn)e），對(duì)比于相同酶活提純的XDH修飾的陽(yáng)極（圖1,，曲線(xiàn)d）,，功率提高60%。該研究將酶的細(xì)菌表面展示技術(shù)應(yīng)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(zhì)運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題,，又解決了酶燃料電池研究中酶的穩(wěn)定性低、成本高的問(wèn)題,。（Biosensors & Bioelectronics 2013, 44, 160-163）
圖1. A) 基于不同生物陽(yáng)極的生物燃料電池的功率密度輸出曲線(xiàn),。(a) XDH/MWNTs/GCE生物陽(yáng)極，10 mM NAD+,； (b) XDH/MWNTs/GCE生物陽(yáng)極, 30 mM木糖+10 mM NAD+; (c)XDH/PBCB/MWNTs/GCE生物陽(yáng)極, 10 mM NAD+,； (d) XDH/PBCB/MWNTs/GCE生物陽(yáng)極, 30 mM木糖+ 10 mM NAD+； (e) bacteria-XDH/PBCB/MWNTs/GCE生物陽(yáng)極,，30 mM木糖+ 10 mM NAD+,。B), 以bacteria-XDH/PBCB/MWNTs/GCE為生物陽(yáng)極的燃料電池的最大輸出功率密度與木糖濃度的關(guān)系曲線(xiàn)圖。支持電解質(zhì)為氧氣飽和的0.1M PBS溶液(pH7.4),。
一般認(rèn)為,， 17%到31%的木質(zhì)纖維素經(jīng)水解后會(huì)轉(zhuǎn)化為木糖，如何提高微生物發(fā)酵木糖的轉(zhuǎn)化率成為以木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)瓶頸之一,。目前,，微生物發(fā)酵方法耗時(shí)長(zhǎng)、副產(chǎn)物多,、產(chǎn)率低,，降低了木糖的利用率,。本研究可望為木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物的高效利用特別是直接將木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)發(fā)為電能開(kāi)辟了新途徑。
此外,，基于微生物表面展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建,，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一系列基于電化學(xué)修飾電極檢測(cè)木糖和葡萄糖的方法。這些方法可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜體系包括木質(zhì)纖維素降解液中木糖或葡萄糖的高靈敏,、低干擾,、快速檢測(cè)或共檢測(cè)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Analytical Chemistry 2012, 84, 275-282和Biosensors & Bioelectronics 2012, 33, 100-105; 2013, 42, 156-162; 2013, 45, 19-24,。(生物谷Bioon.com)
