綜述(生命科學文獻與論文)

1、生命科學文獻與論文寫作課程論文固定化方法制備微藻光電極的研究學生姓名：馬樂龍學 號： 0904064130所在專業(yè)：生物工程指導教師：李會珍副教授2012年4月15日定化方法制備微藻光電極的研究作者姓名：馬樂龍（中北大學化工與環(huán)境學院生物工程太原030051）摘要 通過將微藻細胞固定在平面多孔碳紙上，制備微藻光電極，并在三電極體系電 解液中加入電子介體進行測試，可產(chǎn)生與光照同步的光電流響應?？疾炝瞬煌潭ɑ?法、不同微藻及不同電子介體的光電流響應，結果表明硅溶膠口凝膠法制備的光電極光 電流響應最佳，且對于亞心形四爿藻、金藻、萊茵衣藻、蛋白核小球藻、聚球藻等5種 微藻都適用，表明該制備方法對不

2、同微藻具有較好的通用性。電子介體的研究表明苯醌 及其衍生物由于氧還電位較高，具有較好的陽極光電流響應特性，而甲基紫精氧還電位 較低，具有較好的陰極光電流響應。關鍵詞 微藻 硅溶膠口凝膠 固定化 光合電子傳遞 基于光合系統(tǒng)的太陽能轉換研究近來廣受關注，利用光合生物（高等植物1、微藻 2-4、光合細菌】5-6）、光合系統(tǒng)天線蛋白7以及具有光合作用活性的 葉綠體8、類囊體膜9-10、光合系統(tǒng)111和II 12-14 構建 光合生物燃料電池時見報道，Strik等15、Rosenbaum等16 對光合生物燃料電池分類及其電子傳遞機理進行了全面的綜述。在光合生物燃料電池 中，為實現(xiàn)光能到電能或化學能的轉換

3、，光合系統(tǒng)光解水產(chǎn)生的高能電子通過外源或內 源的電子介體傳遞到電極上產(chǎn)生光電流是先決條件。由于尚未經(jīng)實驗證實光合微生物和 電極之間存在直接的電子傳遞16,光合生物燃料電池需要借助外源電子介體HN Q、DMBQ、DCBQ、BQ等醍類將光合電子傳遞到電極上，細胞或酶固定化制備 光電極，顯然可以顯著增加電子的傳遞效率17。細胞固定化制備光電極多集中在 將原核生物藍藻、光合細菌吸附在修飾金電極及碳紙上或用碳糊電極達到固定目的2 -6，而關于真核藻類光電極制備卻尚未見報道。原因在于真核藻類個體較大，難以 吸附在載體表面，且光反應中心在細胞器葉綠體的類囊體膜上，電子介體在細胞內需要 穿過層層膜結構才能接收

4、光解水釋放的電子，擴散傳遞過程要比沒有細胞器結構的原核 藻類困難得多18。本研究利用不同的固定化方法將真核綠藻亞心形四爿藻固定在 碳紙上制備成微藻光電極，以對苯醍（P-BQ）為電子介體，考察并比較了不同固定 化方法對光電流的影響。采用金藻、萊茵衣藻、蛋白核小球藻、聚球藻為工作藻株，以硅溶膠口凝膠方法制備光電極，考察硅溶膠口凝膠方法對不同藻株的適用性；以循環(huán)伏安曲線確定不同電子介體時工作電極的極化電位，恒電位極化方法考 察了微藻光電極在使用不同電子介體時的光電流響應情況1.材料與方法1.1藻種及培養(yǎng)選擇不同種屬的微藻細胞（包括真核微藻、原核微藻）作為實驗材料制備光電極，研 究光誘導的電子傳遞1.

5、2 實驗裝置與原理實驗采用的是單室三電極體系，裝置體積為2 0 0 ml。在三電極體系中，固定在碳紙上的微藻細胞內的電子傳遞給電子介體，還原型的電 子介體再將電子傳遞到陽極，與輔助電極構成閉合回路產(chǎn)生電流。1.3實驗方法1.3.1高分子修飾的碳紙電極的制備及固定化聚醚颯修飾碳紙使其一面形成一層高分子多孔層，孔徑大小足以將藻細胞通過過濾的方式固定在碳紙上，具體制備方法 見專利20，記作固定化方法11.3.2海藻酸鈣凝膠固定化微藻電極的制備1.3.3硅溶膠口凝膠固定化微藻電極的制備硅溶膠的制備方法，四乙氧基硅烷在酸性條件下水解縮聚為硅溶膠，并釋放出乙醇。1.3.4電化學測試 微藻生物電極作為工作電

6、極，與輔助電極、參比電極構成三 電極體系。實驗前，將電化學工作站（CS 3 0 0，武漢科斯特）預熱30min，每 個電化學測試之前通N2排氧2 0min，且在整個測試過程中通N2保持攪拌體系的 電解池無氧。為了防止電化學測試 對電極表面電荷積累的影響，先進行電化學阻抗譜測試，再進行恒電位掃描，至電流穩(wěn) 定進行實驗。2 .結果與討論2.1不同固定化方法的比較通過固定化方法1將海洋綠藻亞心形四爿藻固定在碳紙上，形成綠藻生物電極，在 三電極體系中，以0.5V進行恒電位極化，光響應曲線如圖2所示。在a點加入電子 介體P BQ之后，p BQ被細胞內的物質所還原，還原型的p BQ在電極再被重 新氧化，電

7、流迅速增加。在b c點之間進行光照時，電流在2 s內迅速上升，比懸浮 液體系3對光的響應更加靈敏，與光同步，同時該方法制備的光電極由于細胞容易脫落到電解液中，光電流不穩(wěn)定，固載量無法定量，實驗 重復性較差。固定化方法2和3制備的綠藻生物電極對光的響應值只有固定化方法4制備的綠藻生 物電極的5 0%左右。在固定化方法2和3中，碳紙上修飾的聚醚颯薄膜層阻礙了藻細 胞光解水釋放的0 2和減小了電極的有效面積，這可能是其光電流響應值較低的原因。 固定化方法4的載體材料由于是未加任何修飾的碳紙，沒有固定化方法2、3的問題， 光電流響應值最大。綜合上述分析，固定化方法4可準確定量細胞的固定量，而且對光 的

8、響應最佳，光電流達到3 7p A/cm2,與光同步，且重復性好，與相關研究3， 6相比更有優(yōu)勢。2.2不同微藻對光電極性能的影響初步得出以下結論：細胞個體的大小對光電流響應亦有影響，其中亞心形四爿藻個 體最大(直徑約2 0p m)響應最佳，且達到平臺的響應時間最短。以硅溶膠 凝膠方 法制備光電極對各種微藻具有較好的通用性，增加離子強度可以有效提高淡水微藻光電 極的穩(wěn)定性。2.3不同電子介體對光電極性能的影響以海洋綠藻亞心形四爿藻為材料，利用固定化方法4制備綠藻生物電極，通過循環(huán) 伏安掃描確定不同電子介體的極化電壓，考察不同的電子介體p BQ，MV，VK 3，DMBQ，HNQ，K3Fe(CN)6

9、 對光的響應。其中鐵氰化鉀、HNQ的 循環(huán)伏安曲線氧化還原峰不明顯未作進一步考察。3結論以細胞固定化方法制備亞心形四爿藻光電極，使用苯醍類電子介體，可以獲得穩(wěn) 定的光電流響應，在4種固定化方法中，硅溶膠 凝膠法結果最佳；以硅溶膠 凝膠法 可以固定不同門類的微藻在碳紙上制備成光電極，其光電流響應曲線類似，表明硅溶膠 凝膠法對不同的微藻具有通用性；硅溶膠 凝膠法制備光電極過程中，適當提高離子 強度可以有效提高凝膠強度，從而得到穩(wěn)定的光電流響應。不同電子介體對光電流影響 的研究表明，循環(huán)伏安方法可以有效確定微藻電極的極化電壓，恒電位極化研究表明苯 醍及其衍生物由于氧化還原電位較高具有較好的陽極光電流

10、響應特性，而MV氧還電位 較低則具有較好的陰極光電流響應。以細胞固定化方法制備微藻光電極對于實現(xiàn)基于微 藻細胞的直接光電轉化，及深入研究微藻光合電子的傳遞機制，以及與其他代謝網(wǎng)絡的 相互關系提供了一種新的手段。參考文獻FlexerV,ManoN.Fromdynamicmeasurementsofphot osynthesisinalivingplanttosunlighttransformati onintoelectricity.AnalChem,20l0,82 (4) :1444-1449.FuCC,SuCH,HungTC,etal.Effectsofbiomassweigh tandli

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