Two manganese peroxidases (MnPs), MnP1 and MnP2, and a laccase, Lac1, were purified from Trametes polyzona KU-RNW027. Both MnPs showed high stability in organic solvents which triggered their activities. Metal ions activated both MnPs at certain concentrations. The two MnPs and Lac1, played important roles in dye degradation and pharmaceutical products deactivation in a redox mediator-free system. They completely degraded Remazol brilliant blue (25 mg/L) in 10-30 min and showed high degradation activities to Remazol navy blue and Remazol brilliant yellow, while Lac1 could remove 75% of Remazol red. These three purified enzymes effectively deactivated tetracycline, doxycycline, amoxicillin, and ciprofloxacin. Optimal reaction conditions were $50^{\circ}C$ and pH 4.5. The two MnPs were activated by organic solvents and metal ions, indicating the efficacy of using T. polyzona KU-RNW027 for bioremediation of aromatic compounds in environments polluted with organic solvents and metal ions with no need for redox mediator supplements.
We studied the water splitting into $H_2$ and $O_2$ using two different semiconductor photo catalysts and redox mediator, mimicking the Z-scheme mechanism of the photosynthesis, $H_2$ evolution took place on a Pt-$SrTiO_2$ (Cr-Ta doped) photocatalyst using $I^-$ electron donor under the visible light irradiation. The Pt-$WO_3$ photocatalyst showed an excellent activity of the $O_2$ evolution using $IO_3^-$ electron acceptor under visible light. $H_2$ and $O_2$ gases evolved in the stoichiometric ratio($H_2/O_2$=2) under visible light using a mixture of the Pt-$WO_3$ and Pt-$SrTiO_3$ (Cr-Ta doped) suspended in NaI aqueous solution. We proposed a two-step photo-excitation mechanism using redox mediator under the visible irradiation.
The electrochemical properties of the redox mediator, 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) ($ABTS^{2-}$) were studied using cyclic voltammetry. The measured potentials (${E^o}'$ vs SCE) of the two redox couples of ABTS are 0.45 V for $ABTS^{2-}/ABTS^{\cdot-}$ and 0.87 V for $ABTS^{\cdot-}/ABTS^0$. The rate constant for heterogeneous electron transfer and the diffusion coefficients for $ABTS^{2-}$ are $5x10^{-3}cm\;s^{-1}$ and $3.1x10^{-6}cm^2\;s^{-1}$, respectively. Our interest in $ABTS^{2-}$ stems from the fact that this molecule functions as a substrate to the copper oxidase, laccase, by providing the reducing equivalents necessary for the biocatalyzed reduction of dioxygen to water. Consequently, when laccase is tethered to an electrode surface or dissolved in solution, $ABTS^{2-}$ can be used to quantify enzyme activity electrochemically.
High potential and fast electron transfer of a cathode mediator are significant factors for improving the performance of biofuel cells. This paper reports the first synthesis of a cathode redox polymer that is a coordination complex of poly (acrylic acid-vinylpyridine-acryl amide) (PAA-PVP-PAA) and [Os(4,4'-dicarboxylic acid-2,2'-bipyridine)$_2Cl_2]^{/+}$ ($E^{\circ}=0.48V$ versus Ag/AgCl). Bilirubin oxidase can be easily incorporated into this polymer matrix, which carried out the four-electron oxygen under typical physiological conditions (pH 7.2, 0.14 M NaCl, and $37^{\circ}C$). This new polymer showed an approximately 0.1 V higher redox potential than existing cathode mediators such as PAA-PVI-$[Os(dCl-bpy)_2Cl]^{+/2+}$. In addition, we suggest increasing the polymer solubility with two hydrophilic groups present in the polymer skeleton to further improve fast electron transfer within the active sites of the enzyme. The maximum power density achieved was 60% higher than that of PAA-PVI-$[Os(dCl-bpy)_2Cl]^{+/2+}$. Furthermore, high current density and electrode stability were confirmed for this osmium polymer, which makes it a promising candidate for high-efficiency biofuel cells.
In a mediator-aided microbial fuel cell, the choice of a proper mediator is one of the most important factors for the development of a better fuel cell system as it transfers electrons from bacteria to the electrode. The electrochemical behaviors within the lipid layer of two representative mediators, thionin and safranine O both of which exhibit reversible electron transfer reactions, were compared with the fuel cell efficiency. Thionin was found to be much more effective than safranine O though it has lower negative formal potential. Cyclic voltammetric and fluorescence spectroscopic analyses indicated that both mediators easily penetrated the lipid layer to pick up the electrons produced inside bacteria. While thionin could pass through the lipid layer, the gradual accumulation of safranine O was observed within the layer. This restricted dynamic behavior of safranine O led to the poor fuel cell operation despite its good negative formal potential.
We fabricated self-assembled monolayers(SAMs) onto quartz crystal microbalance(QCM) using viologen, which has been widely used as electron acceptor and electron transfer mediator. The viologen derivative exist in three redox states, namely. These redox reactions are highly reversible and can be cycled many times without significant side reactions, respectively. We studied the characteristics of charge transfer using different electrolyte solutions by electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM). From the data, the redox peak currents were nearly equal charges during redox reaction and existed to an excellent linear interrelation between the scan rates and first redox peak currents. The redox reactions of viologen were highly reversible and the EQCM has been employed to monitor the electrochemically induced adsorption of SAMs during the redox reactions.
The potential for humic substances to serve as terminal electron acceptors in microbial respiration and the effects of humic substances on microbial azoreduction were investigated. The dissimilatory azoreducing microorganism Shewanella decolorationis S12 was able to conserve energy to support growth from electron transport to humics coupled to the oxidation of various organic substances or $H_2$. Batch experiments suggested that when the concentration of anthraquinone-2-sulfonate (AQS), a humics analog, was lower than 3 mmol/l, azoreduction of strain S12 was accelerated under anaerobic condition. However, there was obvious inhibition to azoreduction when the concentration of the AQS was higher than 5 mmol/l. Another humics analog, anthraquinone-2-sulfonate (AQDS), could still prominently accelerate azoreduction, even when the concentration was up to 12 mmol/l, but the rate of acceleration gradually decreased with the increasing concentration of the AQDS. Toxic experiments revealed that AQS can inhibit growth of strain S12 if the concentration past a critical one, but AQDS had no effect on the metabolism and growth of strain S12 although the concentration was up to 20 mmol/l. These results demonstrated that a low concentration of humic substances not only could serve as the terminal electron acceptors for conserving energy for growth, but also act as redox mediator shuttling electrons for the anaerobic azoreduction by S. decolorationis S12. However, a high concentration of humic substances could inhibit the bacterial azoreduction, resulting on the one hand from the toxic effect on cell metabolism and growth, and on the other hand from competion with azo dyes for electrons as electron acceptor.
Glucose의 redox 반응에 의한 새로운 인슐린 방출계를 5, 5'-dithiobis(2-nitrobcnzoic acid)의 disulfide 결합을 이용해 인슐린을 pmma 막과 glucose oxidase에 고정화시켜 합성하였다. glucose와 glucose dehydrogenase 및 glucose oxidise와의 산화반응에 의해 disulfide 결합이 파괴되어 막과 효소로부터 인슐린이 방출된다. enzyme cofact들(nicotinamide adenin dinucleotide와 flavin adenin dinucleotide)을 coimmobilization 시켜 membrane device에 대해 electron mediator로 작용하도록 하여 glucose의 농도 민감성을 향상시켰고 protein device에 대해서는 glucose oxidase에 인슐린을 직접 고정화시켜 민감성을 더욱 향상시켰다. 이 두 가지 계들은 glucose 특이성을 나타내며 방출된 인슐린은 생체인슐린과 구분되지 않았다. 방출인슐린의 생리활성은 생체인슐린의 81%였다.
다중 생체시료 검출을 위한 바이오센서 연구를 위하여 각기 두 전위를 갖는 오스뮴 고분자를 함께 탄소 전극 (Screen Printed Carbon Electrodes) 위에 고정하였다. 새로운 개념의 다중 생체시료 검출 바이오센서 연구위하여 과산화수소의 환원과 글루코스의 산화에 관여하는 환원 효소와 산화 효소를 각각 이용하였다. 실험 목적에 위하여 염소 작용기 ($E^{O'}$ + 0.520 vs. Ag/AgCl)와 메톡시 작용기 ($E^{O'}$ + 0.150 vs. Ag/AgCl)를 각각 포함하는 두 개의 오스뮴 고분자를 합성하였다. 전자는 과산화수소의 환원에 대하여 좋은 촉매전류신호를 보였고, 후자는 당의 산화에 대하여 효과적인 촉매전류신호를 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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