一种基于微生物表面共展示顺序酶的高性能淀粉/氧气燃料电池的制作方法

本发明属于生物燃料电池领域，具体是指一种基于微生物表面共展示顺序酶的高性能淀粉/氧气燃料电池。

背景技术：

淀粉是自然界中广泛存在的一种多糖，在植物的种子和块茎中的含量可高达57％-75％。实现淀粉向清洁能源转化具有很高的实际应用价值。工业上往往采取发酵技术将淀粉转化为乙醇和葡萄糖酸，实现淀粉向清洁能源的转化。然而，发酵过程通常需要在强酸、强碱和高温等条件下进行，且伴随着各种副产品，使得乙醇和葡萄糖酸的产率大大降低。

生物燃料电池作为一种将化学能直接转化为电能的装置，可以将淀粉中的化学能直接转化为电能进行利用，是一种清洁、可再生的能源。然而淀粉是葡萄糖的高聚体，直接将其作为生物燃料电池的燃料产生电能并非易事。以往报道中，有将糖化酶(GA)、α-淀粉酶和葡萄糖氧化酶(GOx)共同固定在电极上，首先将淀粉经GA水解为葡萄糖，后葡萄糖在GOx存在下被氧气催化氧化转化为电能。然而将几种单一的酶无序地固定在电极上，极大地限制了能量的转化效率。

因此现急需一种高效的酶催化剂，能够充分获取淀粉中的能量，得到高性能生物燃料电池。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于微生物表面共展示顺序酶的高性能淀粉/氧气燃料电池。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于微生物表面共展示顺序酶的高性能淀粉/氧气燃料电池，采用大肠杆菌(E.coli)表面共展示糖化酶(GA)和葡萄糖脱氢酶突变体的基因序列(gdh-m)获得的顺序酶表面共展示系统作为生物阳极催化剂(GA&GDH-E.coli)，漆酶为生物阴极催化剂，分别固定在多壁碳纳米管(MWNTs)修饰的玻碳电极上作为生物阳极和生物阴极。

所述生物阳极为在玻碳电极基体表面上依次固定MWNTs、电子介体聚亚甲基蓝和作为催化的GA&GDH-E.coli。

具体采用涂覆法将MWNTs修饰在玻碳电极表面，然后进一步修饰电子介体亚甲基蓝通过电化学聚合在其表面，最后修饰并固定GA&GDH-E.coli得到生物阳极。

所述GA&GDH-E.coli中糖化酶和葡萄糖脱氢酶的展示比例为3:1。

所述生物阴极为在玻碳电极基体表面上依次固定MWNTs和作为催化的漆酶；将获得阴极插入至含有电子介体的电解液中。

所述电解液中电子介体为2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)。

所述生物阴极采用涂覆法将MWNTs修饰在玻碳电极表面，然后在MWNTs上滴涂漆酶液并通过戊二醛进行交联，即获得生物阴极。其中，漆酶液为将漆酶溶解至溶液中，溶液为水或PBS缓冲液。

所述电解液为含有4mM烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD⁺)、0.5mM ABTS以及1.0％(w/w)淀粉的0.2M柠檬酸-Na₂HPO₄(pH＝4.8)缓冲溶液。

本发明的有益效果为：

本发明微生物表面共展示顺序酶利用基因手段将多种顺序酶共同表达在微生物表面，使其可以协调地完成一系列催化反应，相较几种单一的酶罗列在一起具有更高的催化效率。本发明采用微生物表面共展示顺序酶发展淀粉/氧气生物燃料电池，将有效的提高电池的能量输出和稳定性，并提高淀粉燃料中能量的利用率，具有十分重要的现实意义；具体是：

1、本发明采用GA&GDH-E.coli作阳极催化剂，聚亚甲基蓝作为电子介体，构筑了单室的淀粉/氧气生物燃料电池。电池的开路电位达0.74V，并在0.44V处获得了30.1±2.8μW cm^-2的最大输出能量密度，在连续运行后表现出较高的稳定性，并且电池连续运行8小时，仍能保持其85％以上的最大输出能量密度。由于GA&GDH-E.coli较纯酶具有更高的稳定性，导致该淀粉/氧气燃料电池亦表现出较高的稳定性。

2、本发明提供的GA&GDH-E.coli顺序酶将淀粉逐级分解、氧化，提高了淀粉燃料在生物阳极的催化氧化效率，实现了淀粉的高效利用，进一步提高了生物燃料电池的输出功率密度和稳定性。

3、本发明实现了淀粉中能量的高效利用，是一种清洁、可再生的能源，为实现自然界中其它生物质燃料的高效利用提供了一条有效途径。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于GA&GDH-E.coli的淀粉/氧气燃料电池工作原理示意图。

图2为本发明实施例提供的基于GA&GDH-E.coli的生物阳极在含有1.0％(w/w)淀粉的0.2M柠檬酸-Na₂HPO₄(pH＝4.8)缓冲溶液中不含(a)和含有4mM NAD⁺的循环伏安曲线。扫速为20mV s^-1。

图3为本发明实施例提供的基于漆酶的生物阴极在含有0.5mM ABTS的N₂饱和(a)、空气饱和(b)和O₂饱和条件下(c)的0.2M柠檬酸-Na₂HPO₄缓冲溶液(pH＝4.8)中的循环伏安曲线。扫速为20mV s^-1。

图4为本发明实施例提供的淀粉/氧气燃料电池的功率密度图(4a)和连续运行稳定性(4b)。

具体实施方式

下面通过实施例详述本发明涉及的电池，但不构成对本发明的限制。

实施例1

1)生物阳极的制备

生物阳极催化剂(GA&GDH-E.coli)为采用大肠杆菌(E.coli)表面共展示糖化酶(GA)和葡萄糖脱氢酶突变体的基因序列(gdh-m)获得的顺序酶表面共展示系统；其中，GA和GDH的展示个数比例为3:1。

上述顺序酶表面共展示系统的制备参照公开号为105624077A，名称为一种顺序酶表面共展示系统及其应用的申请案中记载的方式获得。

首先，将2mg MWNTs加入至1mL DMF中，超声至分散均匀。裸玻碳电极(内径3mm)依次用0.3μm和0.05μm的氧化铝粉末抛光打磨至镜面，抛光打磨后用去离子水冲洗后在体积比1:1混合的无水乙醇和超纯水溶液中超声洗涤，超声洗涤后用超纯水冲洗干净，并于氮气条件下晾干，待用。

然后将4μL MWNTs分散液滴涂在预处理的电极表面，室温晾干，得到MWNTs修饰的玻碳电极。

其次将上述MWNTs修饰的玻碳电极浸泡于0.2mM亚甲基蓝溶液中，使亚甲基蓝吸附于MWNTs表面，3小时后转移至超纯水中再浸泡5min，除去结合松散的亚甲基蓝分子。将得到的电极置于0.2M磷酸缓冲溶液(pH＝6.0)中，在0.85V(vs.SCE)的恒电压下电聚合60分钟，在电极表面得到聚亚甲基蓝-MWNTs纳米复合材料。再将3μL GA&GDH-E.coli滴涂在该电极表面，于4℃冰箱过夜晾干。最后，在最外层滴涂5μL壳聚糖(0.2wt％)用于电极的固定。得到基于GA&GDH-E.coli的生物阳极。

该生物阳极催化淀粉反应的循环伏安曲线如图2，在0.4V处得到的氧化电流可达1.96±0.02mA cm^-2。

2)生物阴极的制备

取4μL上述制备生物阳极制备中用到的MWNTs分散液滴涂在预处理的玻碳电极表面，室温晾干后滴加5μL 0.05wt.％Nafion乙醇溶液，并晾干，然后将4μL漆酶水溶液(10mg mL^-1)滴涂到修饰好的电极上，而后再滴加2μL戊二醛(1wt％)交联处理，交联后置于4℃冰箱过夜，干燥后得到基于漆酶的生物阴极。

将上述获得生物阴极进行半电池测试在0.2M柠檬酸-Na₂HPO₄缓冲溶液(pH＝4.8)中进行，并加入0.5mM 2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)作电子介体。

该生物阴极催化氧气还原的循环伏安曲线如图3，氧气还原的起始电位0.62V，并表现出较高的还原电流。

实施例2

淀粉/氧气燃料电池的构筑和测试

淀粉/氧气燃料电池的组装是将修饰好的生物阳极和生物阴极同时浸没于含有4mM NAD⁺、0.5mM ABTS以及1.0％(w/w)淀粉的0.2M柠檬酸-Na₂HPO₄(pH＝4.8)缓冲溶液中。其能量密度和稳定性的测量是在氧气饱和上述溶液中完成。

检测过程中上述构筑的淀粉/氧气燃料电池基于GA&GDH-E.coli固定在聚亚甲基蓝修饰的MWNTs上作生物阳极，漆酶固定在MWNTs上作生物阴极。淀粉燃料在生物阳极上被GA&GDH-E.coli催化，逐级被分解、氧化为葡萄糖酸内酯，放出电子，而氧气在生物阴极上被漆酶还原产生正电荷。电池对外电路供电，实现淀粉燃料的能量转化。该淀粉/氧气燃料电池的开路电位可达0.74V，并在0.44V处获得了30.1±2.8μW cm^-2的最大输出能量密度。电池连续运行8小时，仍能保持其85％以上的最大输出能量密度(图4)。由于GA&GDH-E.coli较纯酶具有更高的稳定性，导致该淀粉/氧气燃料电池亦表现出较高的稳定性。

综上所述，本发明基于GA&GDH-E.coli的淀粉/氧气燃料电池，其中，GA&GDH-E.coli顺序酶高效地将淀粉逐级分解、氧化，提高了淀粉燃料在生物阳极的催化氧化效率，实现了淀粉的高效利用，进一步提高了生物燃料电池的输出功率密度和稳定性。本发明实现了淀粉中能量的高效利用，是一种清洁、可再生的能源，为实现自然界中其它生物质燃料的高效利用提供了一条有效途径。

上面结合附图对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细的说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。