导电水凝胶固定化盐古菌生物电极用于高盐微生物电解池强化产氢

《Bioresource Technology》：Haloarchaeal conductive hydrogel bioelectrodes for enhanced hydrogen production in hypersaline microbial electrolysis cells

　　

： 盐古菌导电水凝胶生物电极用于高盐微生物电解池强化产氢 盐古菌Haloferax volcanii被用作微生物电解池（microbial electrolysis cell, MEC）中的生物催化剂用于氢气（H2）生产。H. volcanii生物电极在含有7%和14%氯化钠（NaCl）的电解质中产生H2。芴甲氧羰基-二苯丙氨酸/碳化钛（Fmoc-FF/MXene）水凝胶可在30分钟内制备即用型固定化生物电极。固定化的H. volcanii在7% NaCl条件下产氢速率为28.89 μmol L-1h-1，是非生物对照的两倍。H2产量依赖于细胞活性，尽管其基因组中未注释到氢化酶。

论文解读

研究背景与现存问题

微生物电解池（MEC）是一种利用微生物代谢降低水电解所需电能的高效产氢技术。提高电解质盐度可降低内阻并促进电荷传输，因此高盐环境成为极具潜力但尚未充分开发的生物电化学产氢场景。然而，现有高盐MEC几乎完全依赖混合嗜盐或耐盐菌群，其组成由接种物和富集条件决定，实验室间重现性差，催化机制往往基于推断而非确证。单菌种体系虽在重现性和遗传可操作性上具有优势，但盐古菌作为高盐环境中占主导且适应性最强的生命形式，此前几乎未被研究用于生物电化学产氢。此外，传统生物阴极依赖微生物自发附着和定殖，启动周期长且性能不稳定，亟需快速、可重复的微生物固定化策略。本研究旨在开发一种导电Fmoc-FF/MXene水凝胶电极，用于固定化模式盐古菌Haloferax volcanii，评估其在MEC中的产氢性能，并探究其生物学贡献。

研究内容与结论

研究人员成功将H. volcanii封装于导电Fmoc-FF/MXene水凝胶中并涂覆于碳毡电极，构建了即用型生物电极。在单室MEC中，该生物阴极在7% NaCl条件下的产氢速率达28.89 μmol L^-1h^-1，是非生物对照（12.80 μmol L^-1h^-1）的两倍以上。电化学阻抗谱（EIS）显示，封装H. volcanii后电荷转移电阻显著降低，循环伏安法（CV）检测到仅存在于H. volcanii存在时的氧化还原峰。细胞浓度实验表明，产氢增强依赖于活细胞而非生物量本身。在双室MEC中，该水凝胶生物阳极的产氢量同样是非生物对照的两倍以上。在14% NaCl条件下产氢量高于7% NaCl，且单个电极经三次连续批次运行（累计60小时）仍保持约89%的初始产氢活性。甲基紫精（MV）还原实验未检测到氢化酶活性，与该菌基因组无氢化酶注释一致。

关键技术方法

1. 1.
   导电水凝胶制备：采用芴甲氧羰基-二苯丙氨酸（Fmoc-FF）自组装肽水凝胶与二维导电材料碳化钛（Ti₃C₂T_x MXene）复合，在温和条件下30分钟内完成凝胶化，直接滴涂于碳毡电极表面。
2. 2.
   电化学表征：使用循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）分析电极界面性质及电荷传递行为。
3. 3.
   产氢定量：采用气相色谱-热导检测器（GC-TCD）测定顶空H₂浓度。
4. 4.
   细胞活性验证：通过活细胞与热裂解、超声破碎及胰蛋白酶处理的细胞裂解液对比实验，区分生物与非生物贡献。

研究结果

3.1 高盐操作条件选择与H. volcanii电化学表征

研究人员确定7% NaCl、pH 8.0为最佳生长与操作条件。CV显示电极附着的H. volcanii呈现多个氧化还原峰，部分峰在更换新鲜培养基后消失，提示存在可溶性电子介体参与。

3.2 导电水凝胶表面形貌

扫描电镜（SEM）证实H. volcanii细胞成功封装于水凝胶网络内且形态完整，再生长实验表明封装过程不影响细胞活性。

3.3 MEC中H. volcanii封装生物阴极的产氢性能

在-0.1 mA恒流条件下，CF-FF-MX-HV电极产氢速率为28.89 μmol L^-1h^-1，显著高于非生物对照CF-FF-MX（12.80 μmol L^-1h^-1）。无Fmoc-FF固定的MXene电极因MXene流失导致性能下降。

3.4 修饰电极的电化学活性

EIS表明封装H. volcanii进一步降低了电荷转移电阻。CV在含菌电极中检测到-0.20 V和-0.54 V的还原峰及-0.13 V和0.34 V的氧化峰，这些特征在非生物对照中不存在。

3.5 细胞浓度对产氢的影响

活细胞电极产氢量随细胞密度增加而升高，而热裂解死细胞在所有测试密度下均接近非生物本底水平，证明产氢增强依赖细胞活性。

3.6 高盐度和MXene浓度对产氢的影响

7% NaCl比1% NaCl表现出更高的电容电流和产氢量。MXene浓度从1.5增至6 mg mL^-1并未带来产氢量的比例提升，提示过高MXene可能影响凝胶微观结构。

3.7 H. volcanii对产氢的生物介导贡献证据

在无外加介体条件下，CF-FF-MX-HV电极产氢量（4.75 nmol）高于非生物对照（3.68 nmol）。细胞裂解液电极平均产氢量更高（12.5 nmol）但变异性大，胰蛋白酶处理使产氢量略有下降但不显著。MV还原实验未检测到氢化酶活性。

3.8 生物阴极的盐度依赖性性能与操作稳定性

14% NaCl条件下产氢量（4.05 nmol）高于7% NaCl（2.99 nmol）。同一电极经三次20小时批次运行，产氢量从2.99 nmol降至2.68 nmol，保留约89%初始活性。

3.9 导电水凝胶封装H. volcanii生物阳极的产氢性能

在双室MEC中，CF-FF-MX-HV生物阳极两次独立实验的产氢量分别为18.31和12.95 μmol，均为非生物对照（6.87和5.57 μmol）的两倍以上。

总结讨论与研究结论

讨论部分指出，虽然本研究获得的产氢速率低于某些混合菌群报道值，但直接比较受反应器操作条件和生物催化剂组成的显著差异限制。本研究首次将定义明确的单一盐古菌物种与导电肽/MXene水凝胶整合用于MEC产氢。增强效应不能归因于非生物电化学过程或生物量的物理存在，而是依赖于活细胞的生物介导贡献。尽管基因组未注释氢化酶且MV实验未检测到氢化酶活性，但CV显示的氧化还原特征、EIS降低的电荷转移电阻以及细胞活性依赖性共同支持H. volcanii参与了电极界面的电子传递过程。可能的机制包括细胞关联的氧化还原活性化合物、胞外电子传递或尚未识别的古菌产氢酶系，这需要进一步的生化与遗传学研究。

研究结论：本研究证明导电Fmoc-FF/MXene水凝胶可将嗜盐古菌Haloferax volcanii固定于碳毡电极，并在7%和14% NaCl条件下增强MEC产氢。水凝胶固定化生物阴极产氢速率达28.89 μmol L^-1h^-1，是非生物对照的两倍以上；同一电极配置在双室MEC中作为生物阳极时产氢量亦超过非生物对照两倍以上。增强效应伴随电荷转移电阻降低、仅存在于H. volcanii时的氧化还原特征以及对细胞活性的依赖性，表明存在生物介导的贡献。水凝胶在温和条件下30分钟内形成，无需高盐环境下通常所需的长时间定殖即可获得即用型生物电极。两个局限性需强调：第一，产氢机制尚未阐明，基因组无氢化酶注释且MV实验未检测到氢化酶活性，因此无法归因于已知酶促途径；第二，长期连续运行、独立制备电极的重现性、放大规模、电极耐久性及氯离子条件下的耐腐蚀性均未建立。本研究应被视为将微生物电解拓展至高盐领域的概念验证，并确认盐古菌是一类基本未被探索的生物电催化剂，而非可部署技术的示范。