利用电极呼吸的Geobacter sulfurreducens生物膜合成钯纳米颗粒

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利用电极呼吸的Geobacter sulfurreducens生物膜合成钯纳米颗粒

研究背景

在现代工业和环境科学中，钯（Pd）作为一种重要的催化剂，广泛应用于制药、农业和化学工业中。然而，传统的钯纳米颗粒（Pd NPs）合成方法通常依赖于高能耗的化学和固态合成技术，这些方法不仅成本高昂，还会产生有害的化学废物。因此，开发一种更加可持续、环保的钯纳米颗粒合成方法成为了一个重要的研究方向。

近年来，电活性微生物（如Geobacter sulfurreducens）因其能够通过氧化有机电子供体并将电子传递到外部固体矿物或电极表面而受到广泛关注。这种微生物不仅能够在电极表面形成生物膜，还能够还原可溶性金属离子（如钯离子），从而合成金属纳米颗粒。利用电活性微生物进行钯纳米颗粒的合成，不仅可以在生理温度、压力和pH条件下进行，还能够避免传统方法中的有害废物产生。因此，研究如何利用Geobacter sulfurreducens生物膜在电极上合成钯纳米颗粒，具有重要的科学和应用价值。

论文来源

这篇论文由Marko S. Chavez、Magdalene A. Maclean、Nir Sukenik、Sukrampal Yadav、Carolyn Marks和Mohamed Y. El-Naggar共同撰写，研究团队来自美国南加州大学（University of Southern California）的物理与天文学系、生物科学系和化学系。论文于2024年12月11日发表在《ACS Biomaterials Science & Engineering》期刊上，题为《Synthesis of Palladium Nanoparticles by Electrode-Respiring Geobacter sulfurreducens Biofilms》。

研究流程与结果

1. 生物膜培养与电化学活性测试

研究的第一步是在厌氧电化学反应器中培养Geobacter sulfurreducens生物膜。研究人员使用了石墨电极和金叉指阵列（IDA）电极作为工作电极（WE），并通过恒电位法（Chronoamperometry, CA）监测生物膜形成过程中的电流变化。电流的产生被用作生物膜生长和细胞活性的指标。当电流达到稳定状态后，研究人员进行了循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）扫描，以评估生物膜在添加钯之前的电化学活性。

结果显示，生物膜在电极上形成了数十微米厚的电流产生层，电流密度可达约1 mA/cm²。CV扫描显示，生物膜在电极上的电子传递是通过Geobacter sulfurreducens的外膜细胞色素进行的，这与已知的细胞外电子传递（Extracellular Electron Transfer, EET）机制一致。

2. 钯离子的添加与还原

在生物膜形成并达到峰值电流后，研究人员向反应器中添加了0.5 mM的Na₂PdCl₄溶液，以研究生物膜在还原可溶性钯离子时的电化学活性。通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）监测钯离子浓度的变化，研究人员发现，生物膜能够在24小时内完全还原添加的钯离子，而对照实验（无生物膜的培养基和电极）中钯离子浓度则保持稳定。

此外，研究人员还通过CV扫描发现，尽管钯离子的添加导致电流显著下降，但生物膜仍然保持了部分电子传递能力。这表明，Geobacter sulfurreducens生物膜能够同时进行电极呼吸和钯离子还原。

3. 钯纳米颗粒的合成与表征

为了确认生物膜局部钯纳米颗粒的形成，研究人员使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）对电极上的生物膜进行了分析。SEM图像显示，钯纳米颗粒以白色球体的形式不均匀地分布在生物膜表面。EDS光谱进一步证实了钯元素的存在，表明生物膜确实能够局部合成钯纳米颗粒。

为了更详细地研究钯纳米颗粒的形态和分布，研究人员还使用了透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）结合EDS进行分析。TEM图像显示，钯纳米颗粒不仅分布在生物膜表面，还渗透到生物膜内部，表明钯离子能够扩散到生物膜深处并被细胞还原。颗粒大小分析显示，钯纳米颗粒的平均直径为4-5.5 nm。

4. 生物膜的恢复与重复利用

在钯离子还原后，研究人员进行了培养基更换实验，以评估生物膜的电化学活性是否能够恢复。结果显示，培养基更换后，生物膜的电流产生能力得到了显著恢复，表明钯离子的添加并未对生物膜造成长期的毒性影响。这一发现为生物膜在多次钯离子还原实验中的重复利用提供了可能性。

结论与意义

通过这项研究，研究人员首次证明了Geobacter sulfurreducens生物膜能够在电极呼吸的同时还原可溶性钯离子，并在生物膜局部合成钯纳米颗粒。这一发现不仅扩展了电活性微生物在金属离子还原和生物矿化领域的应用，还为开发新型的细胞-纳米颗粒生物材料提供了新的思路。

科学价值与应用前景

  1. 可持续的纳米材料合成：利用电活性微生物进行钯纳米颗粒的合成，能够在温和的条件下进行，避免了传统方法中的高能耗和有害废物产生，具有显著的环保优势。

  2. 生物膜局部材料形成：生物膜局部钯纳米颗粒的合成为构建具有独特电子传递和催化性能的混合材料提供了可能。这种材料在催化、环境修复和能源存储等领域具有广泛的应用前景。

  3. 生物膜的重复利用：研究表明，Geobacter sulfurreducens生物膜在钯离子还原后仍能恢复电化学活性，这为生物膜在多次钯离子还原实验中的重复利用提供了可能性，进一步提高了这一技术的经济性。

研究亮点

  1. 首次在电极呼吸的生物膜中合成钯纳米颗粒：与以往的研究不同，这项研究首次在电极呼吸的Geobacter sulfurreducens生物膜中实现了钯纳米颗粒的合成，展示了生物膜在纳米材料合成中的独特优势。

  2. 多学科交叉的研究方法：研究结合了电化学、光谱学和电子显微镜等多种技术手段，全面揭示了生物膜在钯离子还原和纳米颗粒合成中的机制。

  3. 潜在的环境应用：通过生物膜局部钯纳米颗粒的合成，研究人员展示了这一技术在环境修复（如重金属去除）和催化剂回收中的潜在应用价值。

总结

这项研究不仅为电活性微生物在纳米材料合成中的应用提供了新的视角，还为开发更加可持续和环保的纳米材料合成方法开辟了新的道路。未来，结合生物膜图案化技术和基因工程，研究人员有望进一步优化这一过程，开发出具有复杂几何形状和功能的混合材料，推动微生物技术在能源、环境和材料科学中的广泛应用。