近日，我院最新研究论文“Artificial and Biosynthetic Nanoparticles Boost Bioelectrochemical Reactions via Efficient Bidirectional Electron Transfer of Shewanella loihica”在Small (IF:13.3)上在线发表。江苏大学为唯一完成单位，2020级硕士研究生陈涵为第一作者，本院教师方真为通讯作者。
生物电化学反应可以通过电活性微生物的双向电子传递能力来进行热力学不利的化学反应，例如实现CO2生物还原以及多碳精细化学品的合成。目前，希瓦氏菌属作为兼性厌氧的电活性微生物拥有遗传背景清晰、电化学活性较高等优势，是应用于生物电化学反应的潜力菌株之一。然而，希瓦氏菌与电极的生物-非生物界面存在难以兼容、电子传递受阻等天然缺陷，电能难以被微生物高效利用转化，导致目标化学品合成效率低。
本文设计了一种由导电纳米颗粒(50 nm)组成的三维蜂窝状电极，通过理性设计每个蜂窝孔道的直径来适配单个或多个微生物细胞的尺寸，从而完成希瓦氏菌的定向“入住”，实现生物-非生物界面的高度兼容。在阳极模式下（希瓦氏菌氧化乳酸释放电能），上述电极的电池密度提高128倍，并在24小时内获得接近1.5 mA/cm-2的最大输出电流（目前报道的最高电能释放速率）。在阴极模式下（希瓦氏菌利用电能进行胞内还原反应），可以选择性还原富马酸到琥珀酸，并且其反向电流是商用碳电极的16倍。值得注意的是，在以上生物电化学反应过程中，细胞表面色素蛋白溶出铁元素并自主合成含铁的氧化物纳米颗粒（~5 nm），强化了直接和跨膜c型细胞色素电子转移。由于人工和生物合成的纳米颗粒都具有高效的电子传递性能来辅助生物电化学反应，因此在阴极上也实现了高效的生物电化学CO2还原反应。
本研究是在已发表工作（Bioelectricity and CO2-to-butyrate production using photobioelectrochemical cells with bio-hydrogel. Bioresource Technology 398 (2024) 130530）上的进一步延伸，将为构建生物电化学反应系统打开新视角，也为电催化条件下CO2到多碳化学品的高效合成提供一定参考。该研究成果得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202400962
