电刺激的石墨烯基微生物电极构建与去除抗生素类微污染物的增效机制

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    51808279
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    23.0万
  • 负责人：
    杨利明
  • 依托单位：
    南昌航空大学
  • 学科分类：
    E1002.城市污水处理与资源化
  • 结题年份：
    2021
  • 批准年份：
    2018
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Electrochemical removal of micropollutants possesses slow mass transfer, high energy consumption, and low degradation efficiency, which is one of the engineering application bottlenecks. Focusing on the in-depth removal of recalcitrant antibiotic micropollutants, this project intends to utilize graphene with strong conductivity and high specific surface area to build a three-dimensional sensitive membrane electrode with fast electronic transfer and high microbial loading, and was hybridized with conductive polymer with high biocompatibility and strong induction adsorption capacity. We will use electrodeposition method to explore the regulation mechanism of graphene-based composite with hierarchical hole structure, apply process tracking technology to discuss the induction enrichment mechanism of micropollutants, reveal the synergetic degradation mechanism between biocatalytic and electrocatalytic degradation, and then optimize electrode layout and structure. The research outcome of this project will provide new technical pathways for the effective control of the environmental risks of hazardous antibiotic micropollutants, and will serve as a scientific theory basis for realizing the wastewater resource.
电化学去除微污染物时传质慢、能耗高、效率低成为其工程应用瓶颈之一。构建具有富集能力和电刺激活性的微生物电极是解决这一瓶颈问题关键所在。本项目拟利用石墨烯强导电性和高比表面积构建电子传输快和生物负载量高的三维敏感膜电极，再结合导电聚合物的高生物相容性和强的诱导吸附能力，解决难降解抗生素类微污染物的深度去除问题。采用电沉积方法探究石墨烯基复合材料构建多级孔洞结构的调控机制，应用过程跟踪技术探索微污染物诱导富集的机理，揭示电促与微生物协同降解的机制，从而优化电极布局与构造。本研究将为有效控制有毒微污染物的环境风险提供新的技术途径，为实现废水资源化提供一定的科学理论依据。

结项摘要

针对电化学去除微污染物存在的传质慢、能耗高、效率低等工程应用瓶颈，本项目构建出具有强富集能力和电刺激活性的微生物电极来解决抗生素类难降解微污染物的深度去除问题。采用一步电沉积法制备了一种多级纳米结构的石墨烯-聚吡咯（rGO@PPy）电极，该电极具有开放的多孔三维互连导电支架结构，具有较高的表面粗糙度，有利于微生物定植和细胞外电子从外电团转移到电极上。rGO@PPy电极表现出最大电流密度4.10 ± 0.02 mA cm-2，比裸rGO电极（0.51 ± 0.03 mA cm−2）高8.04倍，是目前报道的二维电极性能最好的电极之一。运用化学置换手段简易制备了3D自支撑多孔泡沫镍负载超细Pd纳米粒子的新电极，Pd@泡沫Ni电极对氟苯尼考的脱氯效率达到99.5％，在-1.2 V阴极电位下脱氯率高达16.58 mg/min，远远超过纯泡沫Ni（2.63 mg/min）和市售Pd/C（11.32 mg/min）。第一次发现了选择性加氢脱氯的Pd-Ni超微界面，创新性阐释了Pd和Ni原子协同催化脱卤的新机制。构建了一种新颖的“无粘合剂”3D生物相容性生物电极，该电极由1D胺化碳纳米管（CNTs-NH2）和2D导电还原氧化石墨烯（rGO）纳米片通过一步电沉积组成。rGO@CNTs-NH2电极表现出最大电流密度达到3.25±0.03 mA cm-2，比裸rGO（0.75±0.01 mA cm-2）高4.33倍。归因于电子转移和细菌定殖的出色性能，这源于3D互连支架，快速1D碳纳米管“电子桥”和带正电的表面。上述研究成果在Biosensors & Bioelectronics（IF=10.618）、Chemical Engineering Journal（IF=13.273）、Water Research（IF=11.236）等SCI期刊发表高水平论文6篇，其中ESI高被引论文2篇，ESI热点论文2篇，授权发明专利3项；荣获中国有色金属工业科学技术一等奖（排名第二）、中国化工学会基础研究成果奖二等奖（排名第四）等科研奖励。

项目成果

期刊论文数量（6）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（3）
Nanostructured three-dimensional Reduced Graphene Oxide-Mn3O4 Architectures with High Conductivity and Bacteria Affinity for Highly Efficient Microbial Electrocatalysis
具有高导电性和细菌亲和力的纳米结构三维还原氧化石墨烯-Mn3O4结构，用于高效微生物电催化
  • DOI：
    10.20964/2020.09.54
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    International Journal of Electrochemical Science
  • 影响因子：
    1.5
  • 作者：
    Yi Genping;Fang Difan;Yang Liming;Chang Ziwen;Feng Yufa;Hu Wenbin;Geng Yanni;Liu Guangzhen
  • 通讯作者：
    Liu Guangzhen
Building electrode with three-dimensional macroporous interface from biocompatible polypyrrole and conductive graphene nanosheets to achieve highly efficient microbial electrocatalysis
用生物相容性聚吡咯和导电石墨烯纳米片构建具有三维大孔界面的电极以实现高效微生物电催化
  • DOI：
    10.1016/j.bios.2019.111444
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Biosensors and Bioelectronics
  • 影响因子：
    12.6
  • 作者：
    Yang Liming;Yi Genping;Hou Yanan;Cheng Haoyi;Luo Xubiao;Pavlostathis Spyros G.;Luo Shenglian;Wang Aijie
  • 通讯作者：
    Wang Aijie
Successful isolation of a tolerant co-flocculating microalgae towards highly efficient nitrogen removal in harsh rare earth element tailings (REEs) wastewater
成功分离耐受性共絮凝微藻，以高效去除严酷的稀土元素尾矿 (REE) 废水中的氮
  • DOI：
    10.1016/j.watres.2019.115076
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Water Research
  • 影响因子：
    12.8
  • 作者：
    Zhang Yakun;Xiong Zhensheng;Yang Liming;Ren Zhong;Shao Penghui;Shi Hui;Xiao Xiao;Pavlostathis Spyros G.;Fang Lili;Luo Xubiao
  • 通讯作者：
    Luo Xubiao
Three-dimensional electrode interface assembled from rGO nanosheets and carbon nanotubes for highly electrocatalytic oxygen reduction
由rGO纳米片和碳纳米管组装而成的三维电极界面，用于高度电催化氧还原
  • DOI：
    10.1016/j.cej.2019.122127
  • 发表时间：
    2019-12
  • 期刊：
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子：
    15.1
  • 作者：
    Luo Jinming;Yang Liming;Li Tong;Yang Lixia;Luo Xubiao;Crittenden John C.
  • 通讯作者：
    Crittenden John C.
Bacteria-affinity aminated carbon nanotubes bridging reduced graphene oxide for highly efficient microbial electrocatalysis
细菌亲和性胺化碳纳米管桥接还原氧化石墨烯，用于高效微生物电催化。
  • DOI：
    10.1016/j.envres.2020.110212
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Environmental Research
  • 影响因子：
    8.3
  • 作者：
    Yi Genping;Cui Dan;Yang Liming;Fang Difan;Chang Ziwen;Cheng Haoyi;Shao Penghui;Luo Xubiao;Wang Aijie
  • 通讯作者：
    Wang Aijie

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    2021
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  • 作者：
    陈梁;任雯晴;杨利明;陈倩;侯朝辉
  • 通讯作者：
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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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