将氮生物化学过程与酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）微生物燃料电池中的电化学输出相结合

《Bioelectrochemistry》：Interfacing nitrogen biochemistry with electrochemical output in Saccharomyces cerevisiae microbial fuel cells

微生物燃料电池中不同氮源浓度对酿酒酵母电化学性能的影响研究表明，半电池实验显示电子转移速率常数随氮源浓度变化呈现差异，其中peptone 5 mg/mL条件下最高（1.61±0.285 s?1），全电池实验对应电压分别为0.132 V（peptone）、0.117 V（triptone）和0.039 V（BSA），功率密度达46.6 mW/m2。SEM证实高氮源浓度促进生物膜形成。优化氮源可提升电子转移效率及能源产出。

　　微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFCs）是一种利用微生物代谢过程将有机底物转化为电能的生物电化学系统。这类技术在当前能源危机背景下显得尤为重要，因为全球能源需求持续增长，而化石燃料的供应却在逐渐减少。因此，寻找一种既环保又可持续的替代能源成为迫切需求。MFCs作为一项有前景的生物能源技术，不仅能够直接将有机废弃物转化为电能，还能在处理废水方面发挥关键作用，从而同时解决两个重要的环境问题。

MFCs的工作原理基于微生物的代谢活动，这些微生物能够将有机物氧化并释放电子，这些电子随后被传递到阴极，完成电化学反应并产生电流。在阳极室中，微生物通过氧化有机底物，将电子转移到阳极表面，这一过程是整个MFC系统产生电能的关键环节。电子转移的效率直接影响MFC的整体性能，尤其是其输出电压和功率密度。因此，研究如何优化微生物的电子转移能力成为提升MFC效率的重要方向。

在众多微生物中，酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*）因其强大的发酵能力和非致病性，成为一种极具潜力的真核生物催化剂。然而，尽管其在生物技术领域应用广泛，但其在MFC系统中的电子转移效率仍是一个主要瓶颈。本研究旨在探讨不同氮源对基于*Saccharomyces cerevisiae*的MFC系统电化学性能的影响。实验选择了三种常见的氮源：蛋白胨（peptone）、胰蛋白胨（tryptone）和牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin, BSA），并测试了它们在1、2.5和5?mg/mL三种浓度下的效果。

通过半电池分析，包括循环伏安法（cyclic voltammetry）和速率决定步骤（rate-determining step, RDS）评估，研究发现电子转移过程主要受扩散控制，且通过细胞色素实现。结果显示，蛋白胨在5?mg/mL浓度下的电子转移速率常数（Ks）最高，达到1.61?±?0.285?s?1，其次是胰蛋白胨在1?mg/mL浓度下的Ks为1.53?±?0.332?s?1，而BSA在1?mg/mL浓度下的Ks为0.95?±?0.055?s?1。这些数据表明，不同氮源的浓度对酵母的电子转移效率有显著影响，其中蛋白胨在较高浓度下表现出更强的电化学活性。

在全电池实验中，不同氮源对MFC的电压输出和功率密度也有明显影响。蛋白胨5?mg/mL条件下，MFC的最高电压输出达到0.132?V，对应的峰值功率密度为46.6?mW/m2；胰蛋白胨1?mg/mL条件下，最高电压输出为0.117?V，峰值功率密度为44.0?mW/m2；而BSA在1?mg/mL浓度下的最高电压输出仅为0.039?V，对应的峰值功率密度为7.1?mW/m2。这些结果进一步支持了氮源对MFC性能的重要性，特别是蛋白胨在提升电化学输出方面表现出色。

扫描电镜（SEM）分析也证实了氮浓度对酵母生物膜形成的影响。随着氮源浓度的增加，酵母在电极表面形成的生物膜更加密集和稳定，这直接增强了其电化学活性。因此，优化氮源的类型和浓度不仅有助于提高酵母的生长和代谢能力，还能显著提升MFC的电能产出。

酵母在MFC系统中的表现与其营养供给密切相关，尤其是氮源。氮是蛋白质合成、糖酵解酶（如己糖激酶）生成以及参与电子传递途径的脱氢酶的重要组成部分。适当的氮源补充可以促进酵母的细胞增殖和代谢活动，从而提高其在MFC中的表现。此外，氮源的可用性还会影响酵母在电极表面形成的生物膜密度，这对MFC的效率至关重要。

尽管氮源在微生物系统中的作用已被广泛认可，但目前对不同氮源及其浓度对*Saccharomyces cerevisiae*电化学性能的具体影响研究仍较为有限。因此，本研究的开展具有重要的科学意义和应用价值。通过比较蛋白胨、胰蛋白胨和BSA在不同浓度下的效果，研究不仅揭示了氮源对酵母生长和电化学输出的影响，还为优化MFC系统提供了新的思路和依据。

在实际应用中，工业废弃物作为MFC的底物具有很大的潜力。例如，糖和糖果工业的废料富含葡萄糖和蛋白质，非常适合*Saccharomyces cerevisiae*的代谢需求。通过将废弃物处理与电能生成相结合，不仅可以提高整体能源效率，还能实现资源的循环利用。这符合当前对环保技术日益增长的需求，也为可持续能源生产提供了新的解决方案。

本研究采用了两种主要的实验方法：半电池和全电池系统。半电池系统通过单一电极来研究酵母的氧化或还原反应，从而深入了解其电化学特性。实验中使用的分析方法包括循环伏安法、速率决定步骤评估、电子转移速率常数（Ks）测定、pH变化分析和乙醇浓度测量。这些方法有助于全面评估酵母在不同氮源条件下的电化学行为。

相比之下，全电池系统则包含阳极和阴极两个反应室，通过Nafion膜隔开，从而模拟实际的MFC运行环境。全电池实验主要测量电压输出、最大功率密度以及阳极上的生物膜质量。通过这些分析，研究能够更准确地评估酵母在实际系统中的表现，并进一步探讨其在电能生成中的潜力。

研究结果表明，蛋白胨在较高浓度下显著提升了酵母的电子转移效率，从而增强了MFC的电化学性能。而胰蛋白胨和BSA在较低浓度下也表现出一定的效果，但其性能远不及蛋白胨。这提示我们，在选择氮源时，蛋白胨可能是更优的选择，尤其是在需要高电能输出的应用场景中。此外，实验还发现，随着氮源浓度的增加，酵母的生物膜形成更加密集，这有助于提高其在电极表面的附着能力和电化学活性。

综上所述，本研究通过系统分析不同氮源对*Saccharomyces cerevisiae*在MFC系统中的影响，揭示了氮源优化对于提升微生物电子转移效率和电能产出的重要性。研究不仅为MFC技术的发展提供了理论支持，也为实际应用中的营养供给策略提供了科学依据。未来的研究可以进一步探索其他氮源或组合使用不同氮源的可能性，以寻找更优的解决方案，推动MFC技术在可持续能源和环境治理领域的广泛应用。