李文卫  (教授)

电子邮箱:

学历:研究生

联系方式:0512-87161369

学位:博士

   
当前位置: 中文主页 >> 科学研究

  • 1. 电活性微生物的污染物转化机制、调控及环境应用

    电活性微生物在难降解污染物去除和废水资源化方面具有巨大的发展潜力,但由于在胞外电子传递机制解析及调控方法方面的不足,其实际环境应用受到限制。另外如何将电活性微生物与电化学体系有效耦合生产高附加值产品从而推动其进一步发展与应用也是当前的研究热点。课题组围绕电活性微生物的污染物转化机制、调控方法及生物电化学系统的环境应用展开研究并取得了一系列研究成果,包括:开发了针对电活性菌的高效基因编辑技术,揭示了Aeromonas hydrophila菌胞外还原有机污染物和砷的分子途径;建立了从源头控制其抗性及致病性的碱基编辑新技术;发展了利用生物合成纳米材料强化污染物胞外转化的污染控制新技术。


    1. 1 利用CRISPRi系统揭示嗜水气单胞菌降解污染物的分子机制

    CRISPR interferenceCRISPRi)作为一种近年来发展起来的基因编辑新技术,可以同时、可逆编辑多组基因,为细胞分子遗传学和呼吸代谢机制研究提供了重要的工具。然而,现有的CRISPRi体系主要针对模式污染物,难以用于一些非模式的环境微生物。嗜水气单胞菌Aeromonas hydrophila是一类在环境中广泛存在的异化金属还原菌,在废水处理和环境生物修复过程中发挥重要作用。然而,这类菌的污染物降解机制尚不清楚。本工作以A. hydrophila ATCC7966为研究对象,建立了一套针对该菌的简单、高效的CRISPRi基因编辑系统。通过对参与多种污染物降解过程的相关基因进行编辑,发现ars操纵子在砷解毒系统中起到关键作用,mtrABC基因簇在甲基橙的胞外还原中发挥重要作用但并不影响钒的还原转化。本工作为嗜水气单胞菌的污染物转化机理研究和基因调控提供了重要的研究手段Environ Sci Technol  2020, 54 (6): 3306-3315)


    1. 2 利用基因编辑技术从源头精准控制微生物致病性和抗生素抗性

    环境生物技术被广泛应用于环境污染控制与能源、资源回收等领域。然而,相当一部分环境微生物携带抗生素抗性基因和致病因子等,近年来环境微生物的生态安全性引起了日益广泛关注。为了有效控制环境微生物的生态风险,目前通常采用末端消毒的方式来灭杀所有的微生物,但这类方法往往会导致有毒消毒副产品的产生进而加剧生物风险的传播扩散,并且无法应用于开放的环境体系。针对上述挑战,我们设计了一种“all-in-one”碱基编辑系统并成功用于环境微生物风险控制。该系统可以在不影响菌体的正常生长代谢的前提下,实现对其关键致病基因和抗生素抗性基因的快速、精确识别和高效、精准抑制。编辑后的功能菌被成功应用于合成纺织废水的生物强化处理,其生物安全性得到显著提升。该研究提供了一种从源头控制环境微生物生态和健康风险的新方法,对提升环境生物技术应用的安全性具有重要意义Microb Biotechnol 2021, 23(12), 7578–7590)。

    生物風險.jpg


     2. 重金属的定向生物转化合成纳米材料及其应用

    含重金属废水的处理目前普遍采用化学沉淀法。与之相比,生物法具有低成本、环境友好、操作简单等优点,可利用植物和微生物等对重金属独特的富集转化能力将重金属污染物从水相中高效分离并转化为高附加值的金属纳米颗粒,从而为含重金属废水的处理和资源化利用提供了一条新的出路。课题组在重金属生物转化机制解析、调控方法和配套的工艺技术研发方面开展了一系列工作。


    2.1 底物代谢驱动生物量子点合成的机制及量子点在生物成像中的应用

    污染物资源化是未来环境技术的重要发展方向。已有的研究主要集中有机物的资源化转化,而较少关注无机污染物。那么,能否实现对镉(Cd)和硒(Se)等无机污染物的定向转化和资源化利用呢?近日,我们以水中的Cd和Se为原料,利用生物合成方法制备了高性能的硫硒化镉(CdSxSe1−x)量子点。量子点是一种低维半导体纳米材料,由于其尺寸效应和量子限域效应,具有显著不同于宏观体材料的光电化学性质,在催化、医药、监测分析、及功能材料等方面具有广阔的应用前景。我们在深入揭示生物量子点形成分子机制的基础上,提出了一种简单、有效、广谱的调控策略。微生物细胞内含有的巯基蛋白在量子点的生物合成中扮演重要角色,但当前对具体参与的蛋白种类及其具体作用机制仍不清楚。另外,生物量子点的形成过程中亚硒酸钠还原与底物代谢之间的关系也不明确。我们团队综合运用多种光谱、能谱表征手段、生物、化学分析方法结合DFT理论计算,发现了大肠杆菌细胞内关联底物代谢与生物量子点合成的关键巯基蛋白,包括,并重点揭示了底物代谢促进谷氧还蛋白(GRX)和硫氧还蛋白(TRX)合成进而驱动铬和硒转化形成量子点的途径和分子机制。生成的CdSxSe1−x量子点由于其优异的荧光性能和生物兼容性可被用于生物成像,目前已在肿瘤细胞的体外成像以及小鼠肿瘤组织的原位成像试验中得到了初步验证,显示出巨大的应用潜力。因此,代谢调控为生物量子点以及其他生物纳米材料的可控合成提供了一个新的方向,有望推动“细胞工厂”资源化技术的进一步发展与应用(ACS Nano 2019, 13, 5841-5851)。

    2.jpg



    2.2 通过调节细胞外电子转移来定向制造纳米颗粒

    微生物细胞工厂可被用于金属纳米材料合成,但传统生物合成可控性差,导致所获得的产品成分复杂。我们通过调控异化金属还原菌的胞外电子传递(EET)过程,为纳米材料的生物合成过程调控提供了新途径。通过实施EET调节策略,硒化镉硒(CdSe)或元素硒(Se0)纳米颗粒的定向生产在模型DMRB的希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)中实现。值得注意的是,高质量的CdSe纳米颗粒以远超现有生物合成系统的速率在细胞质中被制造出来。这一发现意味着将DMRB用于精细控制的高效生物合成过程具有巨大潜力( JACS 2017, 139: 12149-12152)。  


    2.3 生物介导的硒-镉相互作用及纳米颗粒形成与外排机制

    环境中重金属与硒(Se)存在生物拮抗效应,对重金属的转化行为和生物毒性产生重要影响,然而目前对具体的生物转化途径及机制仍缺乏了解。我们以秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)为模式生物,对Se促进镉(Cd)生物脱毒转化的途径进行了深入研究。发现Se的加入显著提高了Cd的生物累积量,但其细胞毒性却并未发生显著变化,说明摄入Cd的毒性有显著降低。进而发现Se、Cd的生物转化存在着形成Se0、CdSe以及CdS等多条相互竞争的途径。分子生物学分析结果表明,Se的加入诱导了谷胱甘肽(GSH)和植物螯合肽的大量合成,从而促进了Cd的转化生成低毒的CdSe/CdS纳米颗粒。生成的纳米颗粒主要分布在线虫的咽和肠等部位,并在培养过程中逐渐从体内排出,从而实现Cd的高效解毒。该研究成果为实现重金属污染物的资源化转化奠定了理论基础(Environ Sci Technol 2019, 53 (5): 2344–2352)。


    7.jpg


    2.4 重金属CdSe协同生物转化脱毒的分子机制

    重金属污染严重危害生态环境安全和人类健康,其中镉(Cd)污染非常普遍,而且比其他重金属更容易被农作物所吸收,严重威胁农业和食品安全。因此,Cd污染及其环境危害控制一直是环境修复领域的重要难题。人们发现另一种环境污染物硒(Se)能在一定程度上减轻Cd的生物毒性,从而为Cd污染环境的修复提供了新的思路。然而,目前CdSe协同生物转化及脱毒的具体机制目前仍不清楚。我们通过运用多种原位分析表征手段对线虫体内CdSe的转化过程及参与的巯基蛋白进行了深入分析,并结合DFT理论计算,揭示了谷胱甘肽和植物螯合肽在介导CdSe协同转化中的关键作用,发现了Cd依次与谷胱甘肽和植物螯合肽结合、进而与有机硒作用形成复合体、最终不断长大形成CdSe纳米颗粒的多步反应途径。本研究为Cd污染环境修复及其生态风险控制新技术的开发提供了重要的科学依据(Environ Sci Technol 2021, 55, (11): 7531-7540)。


    8.png


    2.5 微生物自合成金属纳米材料驱动光发酵产氢

    由细菌与半导电纳米材料组成的耦合体系可有效协同光催化材料优异的光吸收能力和菌体的污染物代谢能力和自我繁殖能力,从而同步利用太阳能和有机物化学能驱动各种可再生能源与化学品的绿色合成。然而,现有生物-光催化材料复合体主要利用体外人工合成的半导体材料来构建,普遍存在光电子利用效率低、抑制细胞活性和难以再生循环利用等问题,从而限制了其实际应用。针对这一挑战,李文卫教授团队提出了利用细胞自组装合成的金属纳米材料原位构建可再生细胞-材料复合体的新策略,以大肠杆菌为模式菌在无氧条件下高效胞内合成了硒化镉量子点(合成速率比常规好氧生物合成体系提高了两个数量级),进而自发形成了高活性的菌-量子点复合体,其在可见光下的光催化产氢量子效率高大28.7%,优于现有的所有菌-材料复合体。另外,证实了该复合体应用于实际废水处理和同步光催化产氢的可行性。该研究成果对于推动纳米材料生物合成技术的发展和指导细菌-材料复合体系的优化构建及在能源、环境等领域的应用具有重要意义(Nanoscale 2022, DOI: 10.1039/D2NR01777F; Chem Eng J 2021, 428: 131254)。

    bio-H2.png


     

    2.6 可原位再生的微生物-纳米材料复合体用于重金属废水处理

    基于微生物细胞与纳米材料的耦合体系是生物学与材料学的重要交叉领域和新发展方向。这种“活体功能材料”由于结合了生物体的自我修复、再生能力以及纳米材料的高催化活性、可控性,往往表现出优于传统材料和生物技术的性能,在能源、环境、化工、医学等各领域都具有广阔的应用前景。我们以拥有独特胞外还原能力的希瓦氏菌为“细胞工厂”,绿色合成了廉价且环境友好的硫化亚铁纳米颗粒(FeS),并共同构成了具有高活性和原位再生能力的细胞-FeS复合体。该复合体展现出优异的重金属去除能力,其中FeS起到了还原剂、细胞保护层和胞外电子传递导体等多重作用,而微生物则为FeS原位再生以及重金属的持续胞外还原提供了源源不断的驱动力。该体系被成功用于含镉重金属废水的高效处理,突破了传统生物处理技术难以去除高浓度金属离子和传统物化处理技术成本高、产生二次污染的挑战,具有巨大的实际应用潜力(Wat Res 2021: 117731)。  

    11.jpg

     

     3. 基于硫酸根自由基/电化学过程的高级氧化技术

    基于硫酸根自由基或电化学过程的高级氧化技术由于其成本低、操作简单等优点,在水污染控制方面具有巨大的发展潜力。然而,这类技术当前普遍存在催化剂稳定性弱、受环境干扰严重等问题。课题组在高效、低成本的新型催化剂材料的开发以及与其他水处理技术(包括光催化、膜分离等)的耦合应用方面开展了一系列研究工作。


    3.1 Co-Mn尖晶石氧化物高效催化过一硫酸盐的催化活化根源解析

    基于过硫酸盐活化的高级氧化技术在水污染控制中得到了越来越广泛的应用。过硫酸盐能够被过渡金属离子或氧化物活化产生强氧化性的自由基,从而实现有机污染物的高效降解。然而,反应过程中过渡金属催化剂所含低价金属的还原再生速率普遍较低,从而限制了其催化活性。近年来,尖晶石型双金属氧化物由于其优异的催化性能、高稳定性和独特的晶体结构(四面体和八面体位点共存)受到了广泛关注,被认为是活化过硫酸盐的理想材料。然而,这类催化剂为何能突破金属由高价向低价转化的热力学限制,依然是尚未被破解的谜团。我们通过深入分析钴锰尖晶石氧化物在活化过一硫酸盐(PMS)反应过程中表面电子结构的变化规律,发现了八面体处Mn-O共价性在双金属高效协同催化反应中的决定性作用,并揭示了Co调控Mn-O共价性进而降低界面电子转移能的分子机制。通过分析不同Co、Mn比例的尖晶石表面电子结构与其PMS活化性能之间的相关性,明确了Mn是材料中的主要活性物种,并且发现在一定的MnIV/MnIII比例范围内有利于更好的平衡PMS在催化剂表面的吸附与活化过程。DFT理论计算和X射线吸收谱(XAS)的结果表明八面体位点处Mn和O之间存在明显的轨道重叠,并且Mn-O共价性的强弱程度受Co调控。基于分子轨道理论,提出了Mn-O共价性通过降低材料中Mn与吸附氧物种之间的电子转移能从而加速MnIV/MnIII还原的新机制。此项研究为揭示尖晶石氧化物高效活化过硫酸盐以及双金属协同催化反应的机理提供了新的见解,对开发高效、稳定的金属氧化物催化剂具有指导和借鉴意义(Angew Chem 2020, 133: 278 – 284)。

    MnCo.jpg

    3.2 钯废弃物资源化利用:利用硫中毒钯催化剂实现过一硫酸盐的高选择性活化

    贵金属钯(Pd)催化剂被广泛应用于工业加氢、废气处理等领域,但常出现由于硫(S)中毒导致催化剂失活的问题。由于缺少有效的再生和资源化利用途径,生成的这类硫中毒钯材料通常被作为废弃物处置,不仅增大了企业的经济负担而且造成了贵金属资源的巨大浪费。针对上述问题,我们提出了将这类钯废弃物直接用于废水处理的“以废治废”新策略,发现轻度中毒的Pd4S材料由于其强化学稳定性和S独特的掺杂调控作用,展现出优异的过一硫酸盐活化催化活性和污染物降解高选择性(非自由基途径),其综合性能优于大部分现有催化剂。该工作很好的阐释了“废弃物是放错了地方的资源”这一理念,为废弃贵金属的资源化利用和低成本、高选择性水污染控制技术的发展开辟了新途径(Environ Sci Technol 2022, 56, 1: 564–574)

    PdS.png

    3.3 利用MOF制备具有高电芬顿催化活性和稳定性的Fe2O3/N-C复合材料

    非均相电芬顿技术是一种无药剂添加的高级氧化技术,在水污染控制领域具有广阔的应用前景。该技术的关键在于制备能高效、稳定产生和活化H2O2的双功能电催化剂。铁基碳材料作为一种低成本、高性能的电催化材料成为了近年来电芬顿技术研究的焦点。然而,现有的材料普遍存在金属溶出/金属颗粒团聚等问题,从而降低了其催化活性和长期运行的稳定性。我们首次利用含铁金属有机框架(MOF,MIL-100(Fe))以聚苯胺作为前驱体通过简单的一步水热法制备了具有高电芬顿催化活性的Fe2O3/N-C多孔复合材料,并将其成功用于多种有机污染物(磺胺、罗丹明B、四氯酚)的高效去除,且在酸性pH条件下仅有极少量Fe溶出。材料中的吡啶氮和吡咯氮物种在改善Fe2O3的电子结构以及提高了催化活性和稳定性中发挥了重要作用( Ind Eng Chem Res 2020, 59 (5): 1800-1808)。

    13.jpg

     

    4. 膜法水处理新技术

    膜技术已成为废水深度处理、回用和水净化的最关键技术之一,能为用水安全提供保障。然而,传统的压力驱动型膜技术普遍存在能耗高、膜污染严重的问题。近年来非压力驱动型的新型膜技术例如正渗透和膜蒸馏技术得到了迅速发展。然而,正渗透技术存在盐积累和膜通量低的问题,而膜蒸馏技术存在能耗高和有机污染严重的问题。课题组在新型膜材料和工艺的优化设计以及光热/电化学抗污染技术的研发等方面开展了系列研究。


    4.1 具有垂直聚苯胺纳米纤维层状结构的光热膜用作高效的太阳能膜蒸馏海水淡化

    太阳能膜蒸馏是一种简单有效、可持续的净水技术,能利用太阳能从污水和海水等不可饮用的水源中获取干净的饮用水。然而,已有光热膜用作太阳。本工作受飞蛾眼部的抗反射纳米结构的启发,设计开发一种垂直聚苯胺(PANI)纳米纤维层状结构的光热膜用作高效的太阳能膜蒸馏海水淡化。采用化学氧化聚合法,在疏水的聚偏二氟乙烯(PVDF)微滤膜表面生长上一层垂直排列的聚苯胺纳米纤维层。该纤维层能有效地降低对太阳光的反射和透过,具有极强的光捕捉效应,能吸收高达95%的太阳光,从而将更多的太阳能转化为水蒸气。因此,在一个太阳辐照下,该光热膜取得1.09 kg m-2 h-1产水速率和74.15%的太阳能利用效率。此外,垂直排列的聚苯胺纳米纤维层的构建方法适用于大部分的商业高分子微滤膜。这种具有光捕捉效应的仿生结构为实现具有高产水效率的光热膜用作太阳能膜蒸馏海水淡化提供了一个潜在的解决策略(JMCA 2021, 9, (17), 10678-10684)。

    14.png

     

    5. 其他代表性科研成果


    5.1 硫酸根功能化的氢氧化镍纳米材料用于高效电容器

    储能材料的开发对于可再生能源的高效存储和利用至关重要。氢氧化镍是一种极具发展潜力的电容器材料,具有成本低、理论电容高、电子结构可调等优点。然而,氢氧化镍材料的导电性和表面反应活性普遍不高,导致其倍率性能和循环稳定性较差。此外,其合成过程中一般需要外加镍盐和有机表面活性剂,容易造成环境污染问题。我们团队采用简单的一步水热法成功制备了具有优异电容性能的硫酸根功能化的氢氧化镍(SNO)纳米材料。该方法直接以泡沫镍(NF)基底作为镍源,利用K2S2O8诱导在NF表面原位生长SNO纳米片。整个合成过程中无需外加镍源和表面活性剂。通过调节硫源的掺入量来优化材料形貌和电子结构,获得了具有优异性能的SNO/NF电极材料,其面积比容是空白氢氧化镍的9.3倍、倍率性能提高了1.8倍,在15mV s-1扫速下进行循环伏安测试5000次后仍保持81.3%的比容。DFT计算揭示了硫酸根的引入增强材料导电性、表面润湿性和电容性能的机理。该工作为镍基电极材料的绿色合成以及结构、性能调控提供了新的思路,有望进一步推动镍基储能材料的开发和实际应用(ChemSusChem 2019, 12:1-10)。



    5.2 利用微生物电化学系统同步实现生物气纯化和硫资源回收

    厌氧消化技术是实现有机废水/废物低碳、高效资源化的重要发展方向。然而,厌氧消化过程中产生的生物气中除含有甲烷外还存在二氧化碳(CO2)和硫化氢(H2S)杂质气体成分。因此生物气存储和转化利用前必须进行对其进行纯化,而这显著提高了生产成本。近年来,微生物电化学技术开始被用于CO2还原产CH4,为生物气的纯化提供了一条潜在的新途径。然而,生物气中高毒性H2S气体的存在限制该技术在生物气纯化体系中的实际应用。我们通过对微生物电化学系统的优化设计,开发了一套可以同时实现CO2还原、H2S去除和单质硫回收的新型反应器装置,使生物气中甲烷含量提升至98.3%,同时实现了H2S的完全去除和高纯度硫单质颗粒的回收,并且证实了该系统的长期运行稳定性。该成果为生物气纯化和硫资源回收提供了新的可持续技术方案(Biores Technol 2020, 297: 122448)。


    17.png