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e），對(duì)比于相同酶活提純的XDH修飾的陽(yáng)極（圖1，曲線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）
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。
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。(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)系曲線圖。支持電解質(zhì)為氧氣飽和的0.1M PBS溶液(pH7.4)。
