新型自偏压生物-光电化学系统降解典型抗生素的机理研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21707021
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0604.水污染与控制化学
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The control and treatment of antibiotics polluted water is one of the hot environmental issues currently. Using bioelectrochemical system (BES) for antibiotics degradation through cathodic reduction has certain advantage over traditional physical, chemical and biological technologies. However, utilizing BES for antibiotics reductive degradation requires external electrical driving force (which is energy consuming), and it also suffers from incompletely degradation (toxic intermediates accumulation) and low degradation efficiency. To address these issues, the light-driven, self-biased bio-photoelectrochemical system(SB-BPES)based on g-C3N4 heterojunction photocathode is proposed for more efficient degradation of antibiotics. Metronidazole and nitrofurazone are chosen as the model antibiotics, and the experiments will be conducted as follows: examining antibiotics degradation kinetics, identifying the intermediates, tracking their further degradation behavior, and discussing the possible degradation; analyzing the microbial community and shedding light on microbial metabolic function, as well as their environmental evolution regulation; then revealing antibiotics degradation mechanism based on microbial structure and possible degradation pathways; besides, evaluating the effects of different heterojunction photocathodes, light intensities, substrate concentrations on the performance of antibiotics degradation and cell performance of the system, and exploring the relationship between photocathodes’ energy-band structure and antibiotics degradation; understanding those factors influencing mechanism for antibiotics degradations and SB-BPES electrical outputs, and thus establishing optimization strategy. From the above experiments, theoretical evidence of using SB-BPES for antibiotics degradation will be provided through system development, degradation mechanism discussion and system performance optimization, which is beneficial for advancing antibiotic wastewater treatment technologies.
抗生素水体污染控制与治理是当前热点环境问题之一。生物电化学系统(BES)阴极还原降解抗生素相对传统物理、化学及生物技术具有一定优势。然而,利用BES还原降解抗生素需电能驱动,且降解不彻底、效率较低。对此,本研究拟构建基于g-C3N4基异质结光阴极的光驱动自偏压生物光电化学系统(SB-BPES),实现节能、高效降解抗生素。以甲硝唑和呋喃西林为代表,考察抗生素降解动力学特性,鉴定中间产物并追踪其行为归趋,推断降解途径;分析微生物群落结构,明确微生物代谢功能及其环境演变规律;结合微生物生态结构及降解途径,揭示抗生素降解机理;探究不同异质结光阴极、光强及底物浓度等对抗生素降解的影响,挖掘异质结的能带结构与抗生素降解之间的关系理论,明确不同因素对SB-BPES综合性能的影响机制,确立调控优化策略。从体系构建、机理探讨及性能优化方面为SB-BPES处理抗生素废水提供依据,推动抗生素废水处理技术的发展。

结项摘要

抗生素对环境及人类具有危害作用,因此,开发高效的抗生素废水处理技术重要重大。本项目提出构建基于光阴极的生物光电化学系统(BPES),旨在高效、节能降解抗生素。本项目开展的工作如下:(1)优化制备了g-C3N4/CdS光阴极,并对其进行了表征和测试,系统研究了基于g-C3N4/CdS光阴极的BPES降解呋喃西林(NFZ)的特性、影响因素及机理;(2)探究了基于BiOBr光阴极的BPES降解氯霉素的特性及微生物群落结构;(3)优化制备了BiVO4/RGO光阴极,并探讨了其在BPES中去除金霉素的特性。结果表明:(1)g-C3N4/CdS(1:9,7.5 mg/cm2)光阴极具有最优的光响应能力及光生载流子分离效率,将其用于BPES中,4 h内对NFZ的去除率达83.1%,TOC去除率显著高于对照体系;微生物降解、电催化降解和光催化降解在BPES中协同促进NFZ的降解;NFZ降解主要包括硝基还原、C=N不饱和键还原以及C-N不饱和键和N-N键受到攻击等过程;BPES的阳极生物膜中产电菌占比最多,且在光驱动下,体系可自发产生约1.0 mA的电流,形成自偏压系统(SB-BPES),其对NFZ的TOC去除率达到63%。(2)光照条件下,BPES中BiOBr光阴极电势较低,有利于氯霉素脱氯;阳极生物膜的主导微生物为Geobacter 和Pseudomonas。(3)基于BiVO4/RGO-泡沫镍光阴极的BPES对金霉素的去除率达70%,且稳定性较好。自偏压生物光电化学系统的构建及运行,为难降解有机废水的零耗能高效处理提供了新思路,NFZ的降解路径和机理丰富了抗生素降解的理论体系。目前,本项目取得的研究成果在国际著名期刊如Journal of Hazardous Materials和Bioresource Technology等上面发表SCI论文9篇。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Bio-photoelectrochemcial system constructed with BiVO4/RGO photocathode for 2,4-dichlorophenol degradation: BiVO4/RGO optimization, degradation performance and mechanism
BiVO4/RGO光阴极构建的生物光电化学系统降解2,4-二氯苯酚:BiVO4/RGO优化、降解性能和机理
  • DOI:
    10.1016/j.jhazmat.2019.121917
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Hazardous Materials
  • 影响因子:
    13.6
  • 作者:
    Lingli Tu;Yanping Hou;Guiyun Yuan;Zebin Yu;Shanming Qin;Yimin Yan;Hongxiang Zhu;Hongfei Lin;Yongli Chen;Shuangfei Wang
  • 通讯作者:
    Shuangfei Wang
Bimetallic organic framework-derived, oxygen-defect-rich FexCo3-xS4/FeyCo9-yS8 heterostructure microsphere as a highly efficient and robust cathodic catalyst in the microbial fuel cell
双金属有机骨架衍生的富含氧缺陷的 FexCo3-xS4/FeyCo9-yS8 异质结构微球作为微生物燃料电池中高效、稳定的阴极催化剂
  • DOI:
    10.1101/2021.04.29.441925
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Power Sources
  • 影响因子:
    9.2
  • 作者:
    Yimin Yan;Yanping Hou;Zebin Yu;Lingli Tu;Shanming Qin;Guiyun Yuan;Danquan Lan;Shuo Chen;Jiangli Sun;Shuangfei Wang
  • 通讯作者:
    Shuangfei Wang
Metal-induced Z-scheme CdS/Ag/g-C3N4 photocatalyst for enhanced hydrogen evolution under visible light: The synergy of MIP effect and electron mediator of Ag
金属诱导Z型CdS/Ag/g-C3N4光催化剂增强可见光下的析氢:MIP效应与Ag电子介体的协同作用
  • DOI:
    10.1016/j.mcat.2018.07.027
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Molecular Catalysis
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Lun Qian;Yanping Hou;Zebin Yu;Mingjie Li;Fengyuan Li;Lei Sun;Wei Luo;Guoxuan Pan
  • 通讯作者:
    Guoxuan Pan
Different refractory organic substances degradation and microbial community shift in the single-chamber bio-photoelectrochemical system
单室生物光电化学系统中不同难降解有机物的降解和微生物群落变化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Bioresource Technology
  • 影响因子:
    11.4
  • 作者:
    Shanming Qin;Yanping Hou;Guiyun Yuan;Zebn Yu;Lingli Tu;Yimin Yan;Shuo Chen;Jiangli Sun;Danquan Lan;Shuangfei Wang
  • 通讯作者:
    Shuangfei Wang
Pt (111) quantum dot decorated flower-like Fe2O3 (104) thin film nanosheets as a highly efficient bifunctional electrocatalyst for overall water splitting
Pt(111)量子点装饰的花状Fe2O3(104)薄膜纳米片作为高效双功能电催化剂用于整体水分解
  • DOI:
    10.1039/c9ta01975h
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Materials Chemistry A
  • 影响因子:
    11.9
  • 作者:
    Ye Bo;Huang Lirong;Hou Yanping;Jiang Ronghua;Sun Lei;Yu Zebin;Zhang Boge;Huang Yiyi;Zhang Yalan
  • 通讯作者:
    Zhang Yalan

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其他文献

不同阴极对微生物燃料电池产电性能的影响比较
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    环境工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    侯晓月;刘广立;侯燕萍;张仁铎
  • 通讯作者:
    张仁铎

其他文献

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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

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          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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