Bioelectricity generation and remission glyphosate stress for wheat by microbial fuel cell with a high-performance hollow Fe/Fe5C2-SNC@PNC cathode derived from mother-child "MOF on MOF".
Biosens Bioelectron · 2026 · 301:118512 · PMID 41719930 · 등급6 세포·모델 세포실험 · 농업과 정책 > 기타·종설 · 식물
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글리포세이트 잔류물은 상당한 생태학적 위험을 제기하며, 미생물 연료 전지(MFC)는 농약 분해 및 생전기 발생이 가능하지만, 음극에서의 느린 생전자 이동에 의해 저해된다. 본 연구에서는 아연 기반 제올라이트 이미다졸 골격(ZIF-8)으로부터 확산 속도 조절을 통한 친핵성 치환 반응으로 ZnFe 프러시안 블루 유사체(Zn-Fe PBA)를 생성하는 모-자식형 "MOF-on-MOF" 전구체를 설계하였다. 이렇게 유도된 중공 나노케이지 지지 탄소 캡슐화 Fe/Fe₅C₂ 전기촉매(Fe/Fe₅C₂-SNC@PNC)는 산소 환원 반응(ORR)에서 생전자 수용에 대해 우수한 활성을 보여, ZnFe PBA 및 ZIF-8 단독으로 유래한 Fe/Fe₃C-SNC 및 PNC보다 뛰어났다. Fe/Fe₅C₂-SNC@PNC 음극을 사용한 MFC의 최대 전력 밀도는 $1814 \text{ mW m}^{-2}$에 달했으며, COD 제거 효율은 87.5%였다. 게다가, 직렬로 연결된 MFC는 휴대폰, 디지털 시계 및 LED 조명과 같은 저전력 장치를 구동하는 데 활용되었다. 글리포세이트 스트레스 하에서 Fe/Fe₅C₂-SNC@PNC 음극을 사용한 MFC를 통한 밀 생장 회복은 여덟 가지 성장 지표(52.42% $\sim$ 127.2%), 네 가지 항산화 효소(42.81% $\sim$ 96.93%) 및 엽록소(20.74% $\sim$ 30.91%)를 통해 입증되었다. 고처리량 시퀀싱 결과, Pseudomonadota (50.9% $\pm$ 2.9%), Actinomycetota (26.6% $\pm$ 2.8%), 및 Bacteroidota (14.3% $\pm$ 1.5%)가 글리포세이트 분해 및 에너지 변환을 주도하는 데 핵심적인 역할을 하는 것으로 나타났다. 본 연구는 모-자식형 "MOF-on-MOF" 구조 형성의 이론적 토대를 확립하고 농약 스트레스 정화 분야에 기여하였다.ORIGINAL ABSTRACT
Glyphosate residues pose significant ecological risks and microbial fuel cell (MFC) can degrade pesticides and generate bioelectricity but hindered by sluggish bioelectrons transfer in cathode. In this study, a mother-child "MOF-on-MOF" precursor (MOF: metal-organic framework) is designed via giving birth to ZnFe Prussian blue analogue (Zn-Fe PBA) from zinc based zeolite imidazole framework (ZIF-8) through a diffusion-controlled nucleophilic substitution reaction of Fe(CN)63-. The derived hollow nanocage-supported carbon-encapsulated Fe/Fe5C2 electrocatalyst (Fe/Fe5C2-SNC@PNC) exhibites superior activity for bioelectrons acceptance in oxygen reduction reaction (ORR), surpassing those of Fe/Fe3C-SNC and PNC derived from ZnFe PBA and ZIF-8 alone. The maximum power density of MFC with Fe/Fe5C2-SNC@PNC cathode reaches up to 1814 mW m-2 and the efficiency of COD removal is 87.5%. Besides, MFCs connected in series are utilized to drive the low-power devices of the mobile phone, digital watches, and LED lights in practical applications. The remission to wheat growth through MFC with the Fe/Fe5C2-SNC@PNC cathodes for glyphosate stress was demonstrated by eight growth indexes (52.42% ∼ 127.2%), four antioxidant enzymes (42.81% ∼ 96.93%) and chlorophyll (20.74% ∼ 30.91%). The high-throughput sequencing reveals that Pseudomonadota (50.9% ± 2.9%), Actinomycetota (26.6% ± 2.8%) and Bacteroidota (14.3% ± 1.5%) play a pivotal role in driving glyphosate degradation and energy conversion. This study establishes a theoretical foundation for the formation of mother-child "MOF-on-MOF" structures and paves the way for pesticide-stress remediation.| 저자 | Zhang, X.; Wang, Q.; Chang, B.; Lang, J.; Lv, C.; Looi, L.; Jia, L.; Ding, S.; Chen, Y.; Qin, J.; Chen, Q.; Hao, Z.; Li, K.; Liu, R.; Wu, Y. |
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| 저널 | Biosensors & bioelectronics |
| 권·호·쪽 | 301, 118512 |
| PMID | 41719930 |
| DOI | 10.1016/j.bios.2026.118512 |
| MeSH | Bioelectric Energy Sources; Glyphosate; Glycine; Triticum; Electrodes; Metal-Organic Frameworks; Iron; Biosensing Techniques; Herbicides |