산화 그래핀

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 21867(2016) 이 기사 인용

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산화 그래핀(GO)은 특정 외기전 박테리아에 의해 감소되지만 박테리아 성장과 대사에 미치는 영향은 논란의 여지가 있는 문제입니다. 이 연구는 GO가 외전기성 박테리아의 특정 성장과 전기 생산을 허용하는 말단 전자 수용체로 기능하는지 여부를 확인하는 것을 목표로 했습니다. GO와 아세테이트를 유일한 기질로 사용하는 환경 샘플을 배양하면 Geobacter 종이 우세한(전체 인구의 51-68%) 외전기성 박테리아를 특히 풍부하게 할 수 있습니다. 흥미롭게도, 이들 배양물에 있는 박테리아는 생물학적으로 감소된 GO(rGO)와 함께 전도성 하이드로겔 복합체로 자가 응집되었습니다. Geobacter sp.로 명명된 새로운 GO 호흡 박테리아입니다. 이 하이드로겔 복합체로부터 균주 R4가 분리되었다. 이 유기체는 흑연 펠트를 사용하여 일시적으로 전기를 생산하는 동안 rGO를 통해 60일 이상 동안 >1000 μA/cm3(200mV vs Ag/AgCl)에서 안정적인 전기 생산을 나타냈습니다. 더 나은 전기 생산은 생물막 성장을 위한 넓은 표면적, 더 큰 정전 용량 및 더 작은 내부 저항과 같은 rGO의 특성에 따라 달라집니다. 이는 rGO와 전도성 하이드로겔 복합체를 형성하면서 외전기성 박테리아의 GO 의존적 성장을 입증한 최초의 보고서입니다. rGO와 엑소전기소체의 하이드로겔 복합체 형성으로 이어지는 간단한 대기 과정을 통해 GO를 생체전기화학 시스템에 더 광범위하게 적용할 수 있습니다.

BES(생체전기화학 시스템)1 또는 MES(미생물 전기화학 시스템)2는 미생물을 촉매로 사용하는 전기화학 반응 장치입니다. 미생물 연료전지(MFC)는 유기화합물의 미생물 산화를 통해 전극에 전자를 생성하는 대표적인 BES입니다3. 외전기성 박테리아는 세포외 전자 전달(EET)4이라는 독특한 기능을 특징으로 하며 BES에서 전기 생산을 중재합니다. Geobacter 및 Shewanella 속의 구성원은 전극에 부착하여 직접 전자를 전달할 수 있고 산화환원 매개체5,6를 통해 간접적으로 전자를 전달할 수 있는 가장 많이 연구된 외전기입니다.

BES의 성능은 주로 전극에서 발생하는 박테리아 생물막의 EET와 관련이 있지만 장치 내의 플랑크톤 세포에 의한 간접 EET와는 덜 관련됩니다7. 따라서 전극 물질은 생물막 형성과 세포-전극 경계면에서의 전자 전달 성능을 결정하는 중요한 요소입니다. 탄소 전극은 화학적으로 안정적이고 박테리아 생물막의 발달에 좋기 때문에 이러한 유형의 전극은 BES8,9에 적용되는 것이 바람직합니다. 특히, 흑연펠트, 카본브러시, 카본클로스는 상업적 이용가능성, 실험적 성능, 경제적 이점 때문에 실용화에 고려되고 있다. 전극의 성능에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나는 표면적입니다. 더 넓은 표면적을 갖는 전극은 순수 탄소나 흑연보다 더 많은 박테리아 세포의 부착을 허용할 수 있습니다10. 이 연구 분야의 최근 기술 진보는 더 높은 성능을 나타내는 그래핀 유도체를 사용하여 양극을 변형하는 것입니다.

탄소 원자의 단일 층 벌집 격자인 그래핀은 높은 전도성과 다양한 차수의 크기에서 넓은 표면적(예: 그래핀의 경우 2965m2/g14 및 흑연 펠트10의 경우 0.02m2/g)을 갖는 장점이 있습니다. 그러나 그래핀은 소수성 분말로 이루어져 있고, BES에 사용하려면 지지전극과 복합체를 형성해야 하기 때문에 BES에 직접 적용하기는 어렵다. BES의 반응 챔버에 그래핀의 산화된 형태인 산화 그래핀(GO)을 첨가하면 탄소 전극으로의 전자 전달이 향상되는 것으로 나타났습니다. GO 자체는 전기 전도성이 없지만 미생물에 의해 환원되면 전도체가 됩니다17,18. 여기서는 환원된 형태의 GO를 환원된 GO(rGO)라고 부르는데, 그 이유는 화학적 특성에 대한 정보가 없기 때문입니다. GO의 박테리아 감소는 Shewanella 종의 배양에서 처음으로 입증되었으며 나중에 Escherichia coli19 및 복합 혼합 인구20에서 입증되었습니다. Shewanella 종은 EET17,18에 관여하는 산화환원 단백질을 사용하여 GO를 감소시켰습니다. 또한, 쉬와넬라 배양액의 무세포 추출물에서는 GO가 감소했는데, 이는 아마도 비타민 C21과 같은 작은 생체분자에 의해 감소되었을 가능성이 있습니다. 이러한 발견은 GO가 외전기성 박테리아의 기질 산화와 EET 결합을 위한 전자 수용체 역할을 하여 성장을 허용하는지에 대한 의문을 제기합니다. 지금까지 GO 호흡에 의한 박테리아 성장은 아직 완전히 입증되지 않았습니다. 한편, GO는 항균 또는 살균 활성도 갖는 것으로 나타났습니다22,23. 이러한 결과는 GO가 단순한 전자 흡수원으로 작동하지만 호흡 성장을 허용하는 말단 전자 수용체로 작동하지 않는다는 또 다른 가정을 제공합니다. 따라서 GO가 박테리아 성장 및 대사에 미치는 영향에 대한 정보는 현재 단편적이고 불명확합니다. 이러한 상황으로 인해 GO의 BES 적용이 제한되었습니다.