游婷，劉季華，梁如冰，劉建華

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銅綠假單胞菌存活時(shí)間延長(zhǎng)可提高生物燃料電池的產(chǎn)電量

游婷1*，劉季華2*，梁如冰1，劉建華1

1 上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240 2 上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201620

銅綠假單胞菌產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物吩嗪化合物具有電子傳遞作用，可用于構(gòu)建微生物燃料電池。如何通過(guò)改進(jìn)微生物自身性質(zhì)來(lái)提升微生物燃料電池產(chǎn)電量是研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一。本文以銅綠假單胞菌SJTD-1和其敲除突變株SJTD-1 (Δ) 為對(duì)象，研究了以其搭建的微生物燃料電池的放電過(guò)程，分析了影響其放電量的主要因素。結(jié)果顯示，假單胞菌產(chǎn)生的吩嗪化合物和發(fā)酵系統(tǒng)中細(xì)菌的活性與存活數(shù)量均會(huì)直接影響燃料電池的產(chǎn)電量。敲除突變株SJTD-1 (Δ) 可產(chǎn)生較多的吩嗪化合物，在生物燃料電池系統(tǒng)可持續(xù)放電超過(guò)160 h，產(chǎn)生2.32 J的總電量；而野生菌株SJTD-1僅能放電90 h，產(chǎn)生1.30 J的總電量。細(xì)胞生長(zhǎng)分析結(jié)果進(jìn)一步顯示，與野生菌株相比，突變菌株SJTD-1 (Δ) 在發(fā)酵過(guò)程中維持了較長(zhǎng)的穩(wěn)定期生長(zhǎng)，細(xì)胞存活時(shí)間更長(zhǎng)，放電時(shí)間更持久。因此，銅綠假單胞菌存活時(shí)間延長(zhǎng)，可增加其在微生物燃料電池中的放電時(shí)間，從而提升微生物燃料電池的總產(chǎn)電量。本研究可為通過(guò)工程菌株改造來(lái)提升微生物燃料電池總產(chǎn)電量的研究提供思路，有利于推進(jìn)微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用。

銅綠假單胞菌，微生物燃料電池，吩嗪化合物，存活時(shí)間，產(chǎn)電量

微生物燃料電池是利用電化學(xué)活菌的作用，通過(guò)其催化一系列氧化反應(yīng)，將消耗能量產(chǎn)生的電子傳遞到陽(yáng)極，產(chǎn)生電流并將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)[1-7]。微生物燃料電池可應(yīng)用到環(huán)境污染物處理、生物能產(chǎn)生與高價(jià)值附加材料的合成等過(guò)程，提供了一種有利于環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展方案，實(shí)現(xiàn)了在污染物去除或低附加值物質(zhì)轉(zhuǎn)化的同時(shí)產(chǎn)生電能的目標(biāo)[8-11]。盡管微生物電池具有廣泛應(yīng)用潛能，但因微生物和電極間極緩慢電子傳遞所致的低功率密度直接限制了微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用[6,12-13]。因此，如何通過(guò)改進(jìn)生物燃料電池性能來(lái)提高微生物燃料電池的產(chǎn)電量一直是研究的熱點(diǎn)。

研究人員已從電極材料改造、電池結(jié)構(gòu)改造及能量消耗等多個(gè)方面對(duì)生物燃料電池進(jìn)行改造來(lái)改善生物燃料電池的性能[14-17]。也有研究者從電化學(xué)活菌入手，試圖通過(guò)提升電子傳遞體含量和改進(jìn)電子傳遞介質(zhì)等方法來(lái)提高生物燃料電池產(chǎn)電量[18-21]。由于銅綠假單胞菌生長(zhǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，可利用多種碳源并可產(chǎn)生多種次生代謝產(chǎn)物，這其中包括許多可作為電子介質(zhì)進(jìn)行電子傳遞的化合物，如吩嗪類化合物，因此可被用于搭建微生物燃料電池進(jìn)行產(chǎn)電。研究發(fā)現(xiàn)假單胞菌產(chǎn)生的吩嗪類化合物中的綠膿菌素(pyocyanin，PYO)或吩嗪-1-羧酸(phenazine-1-acid，PCA)等可介導(dǎo)該菌搭建的微生物燃料電池中陽(yáng)極胞外電子的傳遞過(guò)程[19-20]。通過(guò)基因改造提升綠膿菌素的產(chǎn)量可提高細(xì)胞外電子傳遞效率和電流的輸出功率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電量增加的目的[2]。在以假單胞菌MBR為催化劑構(gòu)建的雙室微生物燃料電池中，研究者發(fā)現(xiàn)由假單胞菌產(chǎn)生的吩嗪-1-羧酸在燃料電池中可作為一個(gè)循環(huán)的電子穿梭載體，促進(jìn)有機(jī)物和陽(yáng)極棒之間的電子傳遞，提高微生物燃料電池的利用率[21]。盡管電化學(xué)活菌產(chǎn)生電子傳遞體的量可影響微生物燃料電池的產(chǎn)電量，但是微生物有多重途徑來(lái)搭建細(xì)胞表面與電極間的電子傳遞通道，其他因素的影響依舊不明確。

研究發(fā)現(xiàn)，銅綠假單胞菌的全局調(diào)控因子MvaT參與了其群體感應(yīng)系統(tǒng)、次生代謝途徑和生物膜的形成等過(guò)程的調(diào)控，其敲除菌株產(chǎn)生的綠膿菌素是野生菌株的2倍以上[22]。這提示這一基因的敲除突變株可能用于高產(chǎn)電量生物燃料電池的構(gòu)建。本文以高產(chǎn)吩嗪化合物的銅綠假單胞菌SJTD-1和其敲除突變株SJTD-1 (Δ) 為研究對(duì)象，研究了以其搭建的微生物燃料電池的放電過(guò)程，分析了影響其放電量的主要因素。結(jié)果顯示吩嗪-1-羧酸的含量和細(xì)胞活性對(duì)微生物燃料電池的放電量均有重要影響，突變菌株可在微生物燃料電池的發(fā)酵液中存活更長(zhǎng)的時(shí)間，產(chǎn)電量比野生型菌株增加了77.9%。這為后續(xù)利用工程菌株來(lái)優(yōu)化微生物燃料電池的性能提供了思路。

1 材料與方法

1.1 菌株、培養(yǎng)基與試劑

本實(shí)驗(yàn)所用的細(xì)菌及質(zhì)粒見(jiàn)表1。Luria-Bertani (LB) 液體培養(yǎng)基 (蛋白胨10.0 g/L，酵母提取物5.0 g/L，NaCl 10.0 g/L) 和無(wú)機(jī)鹽基礎(chǔ)培養(yǎng)基 (MM)(KH2PO44.5 g/L；K2HPO4·3H2O 13.75 g/L；(NH4)2SO42.0 g/L；MgSO4·7H2O 0.16 g/L；0.5% FeSO4·7H2O 1.0 mL/L；1.1% CaCl2·2H2O 1.0 mL/L；0.2% MnCl2·4H2O 1.0 mL/L；2.0%葡萄糖) 用于微生物培養(yǎng)。LB固體培養(yǎng)基含有8.0 g/L的瓊脂粉。電極緩沖液 (K3Fe(CN)616.45 g/L；Na2HPO4·12H2O 17.91 g/L；KH2PO46.80 g/L) 用于搭建微生物燃料電池。所有化學(xué)試劑均為分析純，購(gòu)自生工生物工程有限公司(上海，中國(guó))。限制性內(nèi)切酶與T4 DNA連接酶均購(gòu)自Thermo Fisher Scientific公司 (MA，US)。質(zhì)粒小量提取試劑盒與PCR產(chǎn)物柱回收試劑盒等購(gòu)自天根生物科技有限公司 (北京，中國(guó))。

1.2 同源重組構(gòu)建SJTD-1 (Δ) 敲除突變菌株

利用二步法同源重組方法敲除銅綠假單胞菌SJTD-1中的基因，方法參考文獻(xiàn)[24]。以引物mvaT-F1/R1和mvaT-F2/R2擴(kuò)增基因上游700 bp同源臂片段和下游500 bp同源臂片段(F1：5′-GGGGGGGAGCTCATCGAAGG CCGGCTGCTTG-3′，R1：5′-GGGGGGGGATCC CGTGGCGCGATATTCGTTGAT-3′；F2：5′-GGGG GGGGATCCACCCTGCTCGGCTAAACCAG-3′，R2：5′-GGGGGGCTGCAGTTCTCCGCCAGCGA CGACC-3′)。電泳檢測(cè)后純化PCR產(chǎn)物。分別用限制性內(nèi)切酶Ⅰ/H Ⅰ和H Ⅰ/Ⅰ對(duì)上游同源片段和下游同源片段進(jìn)行雙酶切，酶切后產(chǎn)物檢測(cè)后回收。利用T4 DNA連接酶將酶切后的片段與Ⅰ/Ⅰ雙酶切的pEX18Gm質(zhì)粒進(jìn)行連接后轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α。鑒定的陽(yáng)性克隆命名為pEX18Gm-mvaTHR。將該質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌SM10中獲得轉(zhuǎn)化子SM10 (pEX18Gm-mvaTHR)?；旌显撧D(zhuǎn)化子與銅綠假單胞菌SJTD-1使其進(jìn)行接合，之后利用含有慶大霉素的LB固體平板和含有10%蔗糖的固體平板篩選獲得二次重組的敲除菌株，陽(yáng)性克隆經(jīng)PCR驗(yàn)證等確定為敲除突變株，命名為SJTD-1 (Δ)。

表1 本文所用菌種與質(zhì)粒

1.3 微生物燃料電池搭建

生物燃料電池包含2個(gè)由玻璃制成的圓形部分，每部分的容積是400 mL。本文中每部分工作體積為360 mL。在陽(yáng)極室和陰極室之間由一張離子交換膜來(lái)隔離陽(yáng)極和陰極；在雙室生物燃料電池中，每部分各有一根碳棒作為電極棒。在使用之前，碳棒用水清洗幾次除去雜質(zhì)。離子交換膜用稀釋的HCl浸泡過(guò)夜后，用去離子水清洗數(shù)次。挑取銅綠假單胞菌SJTD-1或SJTD-1 (Δ) 單克隆至3 mL LB小管，37 ℃、200 r/min搖培過(guò)夜。次日，接種1 mL過(guò)夜培養(yǎng)物到100 mL LB中，37 ℃、200 r/min搖培至600=1.2–1.6。4 ℃、4 000 r/min離心15 min收菌。用滅菌的超純水重懸菌體，4 ℃、4 000 r/min離心8 min收菌，重復(fù)清洗2次。用無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基懸浮菌體后備用。陽(yáng)極室灌入 360 mL無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基并接種菌體使其起始600為0.01。陰極室裝入360 mL電極緩沖液。用銅線將陽(yáng)極棒、陰極棒和電阻器連成閉合回路，外電阻設(shè)為1 980 Ω。該生物燃料電池系統(tǒng)在37 ℃培養(yǎng)箱中連續(xù)運(yùn)行180 h。每隔1 min用數(shù)據(jù)采集器測(cè)量流過(guò)固定外電阻 (1 980 Ω) 的電流和電壓。利用USB接口將數(shù)據(jù)采集器和電腦連接，取每小時(shí)測(cè)得電壓的平均值，繪制電壓的時(shí)間變化曲線。所有結(jié)果均為3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的平均值。

1.4 菌株生長(zhǎng)曲線測(cè)定與吩嗪含量測(cè)定

每2 h從銅綠假單胞菌SJTD-1或SJTD-1 (Δ) 搭建的生物燃料電池的陽(yáng)極室取出 2 mL發(fā)酵液，其中1 mL用于測(cè)600，取3次實(shí)驗(yàn)的平均值繪制菌株的生長(zhǎng)曲線。另1 mL菌液用于吩嗪含量測(cè)定，步驟如下。將1 mL菌液離心 (室溫，10 000 r/min、5 min) 后，取900 μL上清加入等體積氯仿，振蕩混勻后離心 (室溫，10 000 r/min、5 min)；吸取下層有機(jī)相，加入等體積的0.2 mol/L鹽酸振蕩混勻后離心 (室溫，10 000 r/min、5 min)，取下層有機(jī)相測(cè)251[25-26]。取3次實(shí)驗(yàn)的平均值繪制吩嗪含量隨時(shí)間變化曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 吩嗪-1-羧酸主要介導(dǎo)了銅綠假單胞菌SJTD-1的微生物燃料電池放電過(guò)程

有研究顯示銅綠假單胞菌的次生代謝產(chǎn)物吩嗪-1-羧酸 (PCA) 可介導(dǎo)微生物燃料電池的電子傳遞，降低MFCs的內(nèi)阻，提高M(jìn)FCs的利用率[21]。為了探討PCA在本文用銅綠假單胞菌SJTD-1搭建的MFCs中的作用，我們測(cè)定了在整個(gè)放電過(guò)程中，發(fā)酵液中PCA的含量與電壓的時(shí)間變化曲線。結(jié)果顯示，假單胞菌SJTD-1產(chǎn)生的PCA的含量隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增高，與此同時(shí)微生物燃料電池產(chǎn)生的電壓也逐漸增加；當(dāng)發(fā)酵液中的PCA含量達(dá)到峰值時(shí)，微生物燃料電池產(chǎn)生的電壓也達(dá)到了最大值 (圖1)。類似現(xiàn)象也在突變菌株SJTD-1 (Δ)的MFCs系統(tǒng)的放電過(guò)程中被觀察到。在SJTD-1 (Δ) 的MFCs系統(tǒng)的初始放電階段，發(fā)酵液中PCA含量很低，微生物燃料電池產(chǎn)生的電壓也很低；隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，發(fā)酵液中PCA含量不斷增加到最大值，與之對(duì)應(yīng)的微生物燃料電池產(chǎn)生的電壓也不斷增大，直至達(dá)到最高值 (圖2)。因此，在銅綠假單胞菌SJTD-1和SJTD-1 (Δ) 的微生物燃料電池中，次生代謝產(chǎn)物吩嗪-1-羧酸 (PCA) 是介導(dǎo)放電過(guò)程中的一個(gè)主要因素。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，盡管突變菌株SJTD-1 (Δ) 的PCA產(chǎn)量最大可達(dá)20 μg/mL，高于野生型菌株SJTD-1的13 μg/mL 的PCA產(chǎn)量；但是野生型菌株SJTD-1在放電過(guò)程中可產(chǎn)生最大440 mV的電壓，遠(yuǎn)高于突變菌株SJTD-1 (Δ) 產(chǎn)生的130 mV最大電壓。此外，雖然2個(gè)菌株在MFCs系統(tǒng)中的吩嗪含量隨時(shí)間變化的曲線類似，但兩者的電壓時(shí)間曲線差異較大，突變菌株SJTD-1 (Δ) 的電壓可在130 mV持續(xù)約40 h后出現(xiàn)下降，但是野生型菌株SJTD-1在出現(xiàn)電壓的峰值后其電壓迅速發(fā)生了下降 (圖1和圖2)。這些說(shuō)明盡管吩嗪-1-羧酸作為電子傳遞體是微生物燃料電池放電過(guò)程中的主要因素，但不是唯一決定因素，還有其他因素影響了兩個(gè)微生物燃料電池的產(chǎn)電性質(zhì)。

2.2 細(xì)菌活性與活菌數(shù)量是影響銅綠假單胞菌MFCs放電過(guò)程的關(guān)鍵因素

在生物燃料電池放電過(guò)程中，銅綠假單胞菌產(chǎn)生的吩嗪-1-羧酸作為電子傳遞體可循環(huán)使用，其含量不會(huì)因電子傳遞而降低。銅綠假單胞菌的活菌似乎僅在產(chǎn)電起始階段起重要作用，用于產(chǎn)生大量電子傳遞體；當(dāng)吩嗪-1-羧酸達(dá)到最大值后，活菌似乎沒(méi)有了明顯作用。對(duì)比野生型菌株SJTD-1和突變株SJTD-1 (Δ)的MFCs系統(tǒng)中的吩嗪含量與電壓隨時(shí)間變化曲線的異同，我們思考是否用于產(chǎn)生電子傳遞體吩嗪的細(xì)菌活性與活菌數(shù)量在整個(gè)MFCs發(fā)酵過(guò)程中都存在重要作用？為此，我們測(cè)定并繪制了野生型菌株SJTD-1和突變株SJTD-1 (Δ) 的MFCs在整個(gè)放電過(guò)程中其發(fā)酵液中細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線與電壓隨時(shí)間變化的曲線。結(jié)果顯示，在初始放電階段，發(fā)酵液中的野生型菌株SJTD-1處于對(duì)數(shù)期，活菌數(shù)目不斷增加，生物燃料電池中產(chǎn)生的電壓也不斷增大。當(dāng)細(xì)菌進(jìn)入穩(wěn)定期，發(fā)酵液中的細(xì)胞活性最高，活菌數(shù)目達(dá)到一個(gè)最大值；與此同時(shí)在MFCs中，電壓也在這個(gè)時(shí)期達(dá)到了最高值。最后當(dāng)細(xì)菌進(jìn)入衰亡期時(shí)，細(xì)胞活性下降，活菌數(shù)量逐漸減少，MFCs產(chǎn)生的電壓也隨之減小 (圖3)。類似現(xiàn)象也見(jiàn)于突變菌株SJTD-1 (Δ) 的MFCs系統(tǒng)：處于對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期時(shí)，即細(xì)胞活性最高和活菌數(shù)目最多時(shí)，生物燃料電池產(chǎn)生的電壓增大到最大；反之，發(fā)酵液中活菌數(shù)目減少，生物燃料電池產(chǎn)生的電壓也隨之減小 (圖4)。因此，在銅綠假單胞菌生物燃料電池放電過(guò)程中，其發(fā)酵液中的細(xì)菌活性與活菌數(shù)目對(duì)于整個(gè)放電過(guò)程十分關(guān)鍵，會(huì)直接影響生物燃料電池產(chǎn)生的電壓值。

圖1 SJTD-1生物燃料電池電極電壓與PCA含量隨時(shí)間變化曲線(黑色三角形代表PCA含量，灰色圓點(diǎn)代表電極電壓)

圖2 SJTD-1 (ΔmvaT)生物燃料電池電極電壓與PCA含量隨時(shí)間變化曲線(黑色三角形代表PCA含量，灰色圓點(diǎn)代表電極電壓)

2.3 銅綠假單胞菌SJTD-1 (Δ) 的存活時(shí)間延長(zhǎng)可提高生物燃料電池的總產(chǎn)電量

從圖3和圖4可見(jiàn)，在兩個(gè)MFCs放電過(guò)程中，野生型菌株SJTD-1在到達(dá)穩(wěn)定期后，迅速進(jìn)入衰亡期，大量細(xì)胞破裂，活菌數(shù)目下降，同時(shí)其產(chǎn)生的電壓也隨之立刻降低；而突變菌株SJTD-1 (Δ) 可在穩(wěn)定期持續(xù)約50 h后才進(jìn)入衰亡期，其產(chǎn)生的電壓也會(huì)在其最高值處保持一段時(shí)間后才會(huì)隨著細(xì)胞進(jìn)入衰亡期而緩慢下降。因此，盡管突變菌株SJTD-1 (Δ)的最高產(chǎn)電電壓低于野生型菌株，但是其放電時(shí)間可持續(xù)超過(guò)160 h，產(chǎn)生的總電量達(dá)到了2.32 J；而野生型菌株SJTD-1只能持續(xù)90 h的放電時(shí)間，產(chǎn)生1.30 J的總電量。相比于野生型菌株，突變菌株SJTD-1 (Δ) 產(chǎn)生的總電量增加了77.9%。這說(shuō)明，由于銅綠假單胞菌SJTD-1 (Δ) 的存活時(shí)間延長(zhǎng)，其放電時(shí)間更持久，故其生物燃料電池的總產(chǎn)電量得到了顯著提高。

3 討論與結(jié)論

本研究對(duì)以單一菌株銅綠假單胞菌SJTD-1及其突變菌株SJTD-1 (Δ) 搭建的生物燃料電池的放電過(guò)程進(jìn)行了研究，并分析了影響其產(chǎn)電效能的關(guān)鍵因素。結(jié)果顯示吩嗪-1-羧酸是介導(dǎo)該銅綠假單胞菌SJTD-1搭建的MFCs中的主要電子傳遞體；無(wú)論是在MFCs的產(chǎn)電初期還是在放電過(guò)程中，發(fā)酵液中假單胞菌的細(xì)菌活性與活菌數(shù)目均是影響此MFCs產(chǎn)電量的關(guān)鍵因素。雖然發(fā)酵系統(tǒng)中陽(yáng)極表面始終保持適當(dāng)規(guī)模的活性生物量，但發(fā)酵液中的活性細(xì)胞數(shù)量增加與存活時(shí)間延長(zhǎng)可改善系統(tǒng)的電子傳遞效率，提升整個(gè)微生物燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)電量。因此，這一發(fā)現(xiàn)為通過(guò)改進(jìn)菌株性質(zhì)或構(gòu)建工程菌株來(lái)優(yōu)化以單一菌株構(gòu)建的微生物燃料電池效能的研究提供了思路，有利于推進(jìn)相關(guān)微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用。

微生物燃料電池是由具有電化學(xué)活性的微生物菌群、陰陽(yáng)極與極室、外電路共同構(gòu)建的完整系統(tǒng)，其產(chǎn)電過(guò)程會(huì)受到包括電極材料、電池結(jié)構(gòu)及微生物自身性質(zhì)及產(chǎn)生的電子供體性質(zhì)等多種因素影響。本文以銅綠假單胞菌作為催化菌株的雙室微生物燃料電池，研究其放電過(guò)程的主要影響因素，認(rèn)為其電子傳遞途徑主要利用其產(chǎn)生的吩嗪類化合物作為電子穿梭載體，在微生物和電極之間實(shí)現(xiàn)電子的傳遞從而產(chǎn)生電流。在陽(yáng)極陰極與外電路條件等其他因素相同的條件下，敲除銅綠假單胞菌SJTD-1的調(diào)控因子MvaT可使細(xì)菌存活時(shí)間與放電時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)生更多的電量。由于MvaT參與了銅綠假單胞菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)、次生代謝途徑和生物膜的形成等多個(gè)過(guò)程的負(fù)調(diào)控，敲除MvaT的突變株，其吩嗪化合物產(chǎn)量較野生型有所提升；同時(shí)，突變菌株SJTD-1 (Δ) 具有較厚的生物膜，在其保護(hù)下，其環(huán)境耐受能力更強(qiáng)，使其可在生物燃料電池系統(tǒng)中存活更長(zhǎng)時(shí)間。由于吩嗪化合物的產(chǎn)生主要是在假單胞菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期后期和穩(wěn)定期，具有較長(zhǎng)穩(wěn)定期的突變菌株也可持續(xù)產(chǎn)生電子傳遞體，提升MFCs的總產(chǎn)電量。另一方面，較厚的生物膜也會(huì)降低陽(yáng)極電子與陽(yáng)極棒之間的傳遞速率，導(dǎo)致產(chǎn)生的電壓最高峰值降低。因此，如何在增加電子傳遞體與活菌數(shù)目的情況下提升電子的傳遞速度，仍需進(jìn)一步研究。

REFERENCES

[1] Wang HM, Park JD, Ren ZJ. Practical energy harvesting for microbial fuel cells: a review. Environ Sci Technol, 2015, 49(6): 3267–3277.

[2] Yong XY, Shi DY, Chen YL, et al. Enhancement of bioelectricity generation by manipulation of the electron shuttles synthesis pathway in microbial fuel cells. Bioresour Technol, 2014, 152: 220–224.

[3] Lewis NS, Nocera DG. Powering the planet: chemical challenges in solar energy utilization. Proc Natl Acad Sci USA, 2006, 103(43): 15729–15735.

[4] Logan BE. Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells. Nat Rev Microbiol, 2009, 7(5): 375–381.

[5] Lovley DR. The microbe electric: conversion of organic matter to electricity. Curr Opin Biotechnol, 2008, 19(6): 564–571.

[6] Rabaey K, Verstraete W. Microbial fuel cells: novel biotechnology for energy generation. Trends Biotechnol, 2005, 23(6): 291–298.

[7] Logan BE, Regan JM. Microbial fuel cells-challenges and applications. Environ Sci Technol, 2006, 40(17): 5172-5180.

[8] Sun HS, Xu SJ, Zhuang GQ, et al. Performance and recent improvement in microbial fuel cells for simultaneous carbon and nitrogen removal: a review. J Environ Sci, 2016, 39: 242–248.

[9] ElMekawy A, Srikanth S, Bajracharya S, et al. Food and agricultural wastes as substrates for bioelectrochemical system (BES): the synchronized recovery of sustainable energy and waste treatment. Food Res Int, 2015, 73: 213–225.

[10] Ryu JH, Lee HL, Lee YP, et al. Simultaneous carbon and nitrogen removal from piggery wastewater using loop configuration microbial fuel cell. Process Biochem, 2013, 48(7): 1080–1085.

[11] Zhang F, Li J, He Z. A new method for nutrients removal and recovery from wastewater using a bioelectrochemical system. Bioresour Technol, 2014, 166: 630–634.

[12] Qiao Y, Qiao YJ, Zou L, et al. Real-time monitoring of phenazines excretion inmicrobial fuel cell anode using cavity microelectrodes. Bioresour Technol, 2015, 198: 1–6.

[13] Qiao Y, Bao SJ, Li CM, et al. Nanostructured polyaniline/titanium dioxide composite anode for microbial fuel cells. ACS Nano, 2008, 2(1): 113–119.

[14] Yuan HY, He Z. Graphene-modified electrodes for enhancing the performance of microbial fuel cells. Nanoscale, 2015, 7(16): 7022–7029.

[15] Mason JA, Sumida K, Herm ZR, et al. Evaluating metal-organic frameworks for post-combustion carbon dioxide capturetemperature swing adsorption. Energy Environ Sci, 2011, 4(8): 3030–3040.

[16] Perry JJ, Perman JA, Zaworotko MJ. Design and synthesis of metal-organic frameworks using metal-organic polyhedra as supermolecular building blocks. Chem Soc Rev, 2009, 38(5): 1400–1417.

[17] Zhou MH, Chi ML, Luo JM, et al. An overview of electrode materials in microbial fuel cells. J Power Sources, 2011, 196(10): 4427–4435.

[18] Rabaey K, Boon N, H?fte M, et al. Microbial phenazine production enhances electron transfer in biofuel cells. Environ Sci Technol, 2005, 39(9): 3401–3408.

[19] Rabaey K, Boon N, Siciliano SD, et al. Biofuel cells select for microbial consortia that self-mediate electron transfer. Appl Environ Microbiol, 2004, 70(9): 5373–5382.

[20] Pham TH, Boon N, Aelterman P, et al. Metabolites produced bysp. enable a Gram-positive bacterium to achieve extracellular electron transfer. Appl Microbiol Biotechnol, 2008, 77(5): 1119–1129.

[21] Zhang TT, Zhang LX, Su WT, et al. The direct electrocatalysis of phenazine-1-carboxylic acid excreted byunder alkaline condition in microbial fuel cells. Bioresour Technol, 2011, 102(14): 7099–7102.

[22] Li CR, Wally H, Miller SJ, et al. The multifaceted proteins MvaT and MvaU, members of the H-NS family, control arginine metabolism, pyocyanin synthesis, and prophage activation inPAO1. J Bacteriol, 2009, 191(20): 6211–6218.

[23] Liu H, Liang RB, Tao F, et al. Genome sequence ofstrain SJTD-1, a bacterium capable of degrading long-chain alkanes and crude oil. J Bacteriol, 2012, 194(17): 4783–4784.

[24] Hoang TT, Karkhoff-Schweizer RR, Kutchma AJ, et al. A broad-host-range Flp-recombination system for site-specific excision of chromosomally-locatedDNA sequences: application for isolation of unmarkedmutants. Gene, 1998, 212(1): 77–86.

[25] Cui Q, Lv H, Qi Z, et al. Cross-regulation between theandoperons maintain a balanced level of phenazine biosynthesis inPAO1. PLos ONE, 2016, 11(1): e0144447.

[26] Kim KJ. Phenazine 1-carboxylic acid resistance in phenazine 1-carboxylic acid producingsp. B-6. Korean Soc Biochem Mol Biol, 2000, 33(4): 332–336.

(本文責(zé)編 郝麗芳)

Survival elongation ofimproves power output of microbial fuel cells

Ting You1*, Jihua Liu2*, Rubing Liang1, and Jianhua Liu1

1 State Key Laboratory of Microbial Metabolism, School of Life Sciences and Biotechnology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China 2 School of Material Engineering, Shanghai University of Engineering Sciences, Shanghai 201620, China

The secondary metabolites, phenazine products, produced bycan mediate the electrons transfer in microbial fuel cells (MFCs). How increase the total electricity production in MFCs by improving the characteristics ofis one of research hot spots and problems. In this study,strain SJTD-1 and its knockout mutant strain SJTD-1 (Δ) were used to construct MFCs, and the discharge processes of the two MFCs were analyzed to determine the key factors to electricity yields. Results indicated that not only phenazine but also the viable cells in the fermentation broth were essential for the discharge of MFCs. The mutant strain SJTD-1 (Δ) could produce more phenazine products and continue discharging over 160 hours in MFCs, more than that of the wild-type SJTD-1 strain (90 hours discharging time). The total electricity generated by SJTD-1 (Δ) strain could achieve 2.32 J in the fermentation process, much higher than the total 1.30 J electricity of the wild-type SJTD-1 strain. Further cell growth analysis showed that the mutant strain SJTD-1 (Δ) could keep a longer stationary period, survive much longer in MFCs and therefore, discharge more electron than those of the wild-type SJTD-1 strain. Therefore, the cell survival elongation ofin MFCs could enhance its discharging time and improve the overall energy yield. This work could give a clue to improve the characteristics of MFCs using genetic engineering strain, and could promote related application studies on MFCs.

, microbial fuel cells, phenazine, survival time, electricity production

Supported by:National Natural Science Foundation of China (Nos. 31370152, 31570099), Shanghai Pujiang Program (No. 14PJD020).

國(guó)家自然科學(xué)基金 (Nos. 31370152, 31570099)，上海市浦江人才計(jì)劃 (No. 14PJD020) 資助。

October 8, 2016; Accepted: January 20, 2017

Rubing Liang. Tel: +86-21-34204192; E-mail: icelike@sjtu.edu.cn Jianhua Liu. E-mail: jianhualiudl@sjtu.edu.cn *These authors contribute equally to this study.