Synergistic Material-Microbe Interface towards Faster, Deeper, and Air-tolerant Reductive Dehalogenation

协同材料-微生物界面实现更快、更深、耐空气的还原脱卤

基本信息

  • 批准号:
    10516048
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 29.11万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2025-10-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary/Abstract Challenges exist in bioremediation of halogenated contaminants, including low donor utilization efficiency and slow dehalogenation, low dehalogenation activity and degree for the emerging per- and polyfluorinated substances, as well as the difficulty in simultaneously treating co-contaminants. To address those challenges, this project integrates advances in materials sciences and microbial reductive dehalogenation and proposes a synergistic materials-microbe interface that can achieve faster, deeper, and air-tolerant reductive dehalogenation. Charge transfer mechanisms in the proposed electricity-driven materials-microbe hybrid will be investigated, which will guide the design and optimization of novel nano- and micro-scale materials to enhance the mass-transport efficiency and accelerate dehalogenation. The local electron donor levels can be stably maintained at low levels, favoring dehalorespiring microorganisms over methanogens and homoacetogens, leading to enhanced electron donor utilization. A systems-level understanding of microorganisms enriched in the bioelectrochemical system and genes/enzymes responsible for deeper defluorination will be obtained with omics techniques. Novel reductive defluorination products/pathways and synergistic interactions between microbial and electrochemical defluorination will be elucidated using advanced analytical tools such as high-resolution mass spectrometry. Furthermore, an air-tolerant materials-microbe framework for reductive dehalogenation will be developed using a recently designed microwire array electrodes and implemented to achieve concurrent oxidation of the co-contaminant 1,4-dioxane in an open system. This project will significantly advance the mechanistic understanding of the accelerated and deeper reductive dehalogenation at the synergistic materials- microbe interface. This hybrid framework is powered by electricity that can be generated from sustainable solar energy and may lower the cost by reducing the requirement of fermentable organics and by combining the anaerobic and aerobic remediation processes. The successful demonstration of this new paradigm of bioremediation will potentially lead to future applications for cleaning up the halogenated contaminants and co- contaminants in subsurface environments. The developed materials-microbe framework is also highly transformable to the bioremediation processes of other environmental contaminants.
项目摘要/摘要 卤化污染物的生物修复中存在挑战,包括低供体利用效率和 慢慢的脱核酸,低脱核活性和新出现和多氟化的程度 物质,以及同时治疗共抗药剂的困难。为了应对这些挑战, 该项目整合了材料科学和微生物还原性脱核的进步,并提出了 协同材料 - 微型界面,可以实现更快,更深和耐耐空气的还原性 脱核酸。拟议的电力驱动材料微型杂种中的电荷传输机制将是 研究了,这将指导新型纳米和微尺度材料的设计和优化以增强 质量传输效率和加速脱盐化。本地电子供体水平可以稳定 保持较低的水平,有利于脱甲孔的微生物,而不是甲烷剂和同型物质, 导致电子供体利用率增强。对微生物的系统级理解丰富了 将使用OMICS获得负责更深型屈光度的生物电化学系统和基因/酶 技术。新型还原屈光产物/途径和微生物之间的协同相互作用 并且将使用高分辨率等先进的分析工具来阐明电化学脱氟化 质谱法。此外,用于还原脱核化的空气耐受材料框架将 可以使用最近设计的Microwire阵列电极开发并实现以实现并发 在开放系统中共抑制1,4-二氧烷的氧化。该项目将大大推动 在协同材料上对加速和更深层还原的脱催化的机械理解 - 微生物接口。该混合动力框架由可持续太阳能产生的电力提供动力 能源并通过减少可发酵有机物的需求并结合起来来降低成本 厌氧和有氧修复过程。这个新范式的成功演示 生物修复将有可能导致未来的应用,以清理卤代污染物和共同 地下环境中的污染物。开发的材料 - 微型框架也很高 可以转变为其他环境污染物的生物修复过程。

项目成果

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