CN102315471A - 基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池及其使用方法。该微生物燃料电池包括阳极室、阴极室、阳极电极、阴极电极、质子透过膜和外接电路，在阳极室内接种有微生物，还装有微生物的培养液和电子供体，在阴极室装有阴极反应液，所述的微生物为脱色希瓦氏菌。该微生物燃料电池以脱色希瓦氏菌为阳极微生物，该菌具有极强的环境适应性和多样的呼吸机制。在营养充足的阳极培养液中，该菌可快速代谢和繁殖，极短时间内消耗溶氧维持阳性电极周围的厌氧环境，因此可省去一般微生物燃料电池启动前或运行时需吹氮气制造无氧环境保持厌氧反应条件的步骤，简化运行操作方法，在环境污染物的处理和资源化中有良好的应用前景。

Description

基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池及其使用方法

技术领域：

本发明涉及一种微生物燃料电池及其使用方法，具体涉及一种基于脱色希瓦氏菌(Shewanella decolorationis)的微生物燃料电池及其使用方法。

背景技术：

微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)近年来在环境污染治理及能源化等研究中得到迅速发展和广泛应用。这种技术可以通过微生物的作用，将有机污染物的化学能直接转化为电能。MFC已经被应用于多种难处理的环境污染物的降解研究，并显示出较好的应用前景，其中包括多种工业和生活废水、垃圾渗滤液、芳香类化合物和三氯乙烯等。

一般的微生物燃料电池包括阳极室、阴极室、阳极电极、阴极电极、质子透过膜和外接电路，在阳极室内接种有微生物，还装有微生物的培养液和电子供体，在阴极室装有阴极反应液，在启动前或者运行时需要通过吹氮气等方法去除阳极室培养液中的溶氧，以维持装置在厌氧条件下运行，但是这样的微生物燃料电池存在一些缺点，如由于需要去除阳极室培养液中的溶氧，就需要额外增加一些装置和操作，从而在一定程度上限制了微生物燃料电池的应用。

微生物在微生物燃料电池中发挥着关键作用，它负责氧化降解有机底物，获得的电子在细胞体内通过电子传递链一部分为细胞繁殖代谢提供能量；一部分通过直接接触或电子介体传递至电极，转化为电能。为了更好的模拟和适应实际环境应用，目前多数微生物燃料电池所使用的微生物来自污染或自然环境，但是，这种微生物催化剂由于群落结构非常复杂，而且不同环境及地域具有不同的特点，因而这种混合接种物构建的微生物燃料电池中不同微生物的功能难以分析和确定。微生物燃料电池的发展和应用必须以微生物的产电机理为基础。希瓦氏菌属和地杆菌属是目前微生物产电机理研究较多应用较多的微生物。其中，地杆菌属被报道可以高效地将乙酸等底物转化为电能，效率可达99％，但地杆菌属只能在严格的厌氧条件下生存，因而，地杆菌属在微生物燃料电池的研究和实际应用中具有一定局限性，在实验研究中，必须通过吹氮气等方法保证严格的厌氧条件。希瓦氏菌可以在兼性条件下生存并执行生理功能，同时还可以在多种极端环境，如，高盐度、高压力和低温等环境中生存，并能以多种化合物为电子供体和受体进行呼吸产能，可以适用于更广泛的环境。

脱色希瓦氏菌是本课题组从印染废水中分离得到的重要环境微生物，在金属还原、硝酸盐还原及偶氮染料的还原降解中有显著效果。

发明内容：

本发明的第一个目的是构建基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池，提供一种无需在启动前或者运行期间吹氮气以保持厌氧反应条件的微生物燃料电池。该微生物燃料电池在产电的同时，还能进行偶氮染料、金属和硝酸盐的还原。

本发明人经实验发现，以脱色希瓦氏菌为阳极微生物，构建微生物燃料电池。脱色希瓦氏菌在微生物培养液上层的迅速生长，消耗大量氧气，可维持电极周围厌氧环境，从而无需像一般微生物燃料电池在启动前或者运行时需要吹氮气制造无氧环境以保持厌氧反应条件。在产电的同时，该装置还可进行金属、偶氮染料、硝酸盐等污染物的还原，从而实现了本发明的目的。

本发明的基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池，包括阳极室、阴极室、阳极电极、阴极电极、质子透过膜和外接电路，在阳极室内接种有微生物，还装有微生物的培养液和电子供体，在阴极室装有阴极反应液，其特征在于所述的微生物为脱色希瓦氏菌。

所述的培养液优选为LB，该培养液属于本领域技术人员公知的培养液，其可以维持脱色希瓦氏菌足够的微生物密度。

所述的电子供体优选为乳酸钠、甲酸钠或丙酮酸钠。

所述的阴极反应液优选为含有50mg/L铁氰化钾的PBS溶液。

本发明的阳极室和阴极室均采用耐高温玻璃质材料；阳极电极和阴极电极使用具有一定导电性能的材料，例如金属、碳纸、碳布、石墨颗粒等；外电路为导电材料，电阻不宜大于6Ω；质子透过膜使用Ultrex或Nafion系列产品；阴极室敞口，维持有氧环境；外接电路连接阳极电极和阴极电极，电路可以串联电位器，并以万用表记录产生电压等数据。

本发明的第二个目的是提供一种基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池的使用方法，包括以下步骤：

a)构建基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池；

b)启动基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池；

c)运行基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池；

在所述的启动基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池前或者运行基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池时，无需除去阳极室内培养液中的溶氧。

用于本发明的脱色希瓦氏菌(Shewanella decolorationis)已于2003年11月24日保存在中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，保藏编号为CCTCC M 203093，该保藏信息已在专利号为：ZL200310112361.7的专利中公布。

本发明的基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池，以脱色希瓦氏菌为阳极微生物，该菌株具有极强的环境适应性和多样的呼吸机制。在营养充足的阳极培养液中，该菌株可以快速的代谢和繁殖，在极短的时间内消耗溶氧而维持阳性电极周围的厌氧环境，因此可省去一般微生物燃料电池启动前或者运行时需要吹氮气制造无氧环境以保持厌氧反应条件的步骤，简化微生物燃料电池的运行操作方法，在环境污染物的处理和资源化中有良好的应用前景。

本发明的基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池，在阳极室内加入金属、偶氮染料和硝酸盐等污染物，在将化学能转化为电能的同时，可以有效地对金属、偶氮染料和硝酸盐等污染物进行还原。

附图说明：

图1是微生物燃料电池的结构示意图；

其中1、外阻；2、外电路导线；3、阳极电极；4、阳极室；5、阴极电极；6、阴极室；7、质子透过膜Nafion 112；8、万用表；

图2是启动前吹氮气维持厌氧环境和不吹氮气静置反应的微生物燃料电池的输出电压随时间变化图；

图3是添加电子供体乳酸钠和不添加电子供体乳酸钠的微生物燃料电池产电能力示意图；

图4是添加电子供体乳酸钠的微生物燃料电池的极化曲线。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1

本实验包括两组装置，一组在启动前吹氮气维持厌氧环境的对照组，一组不吹氮气静置反应的实验组。

装置构建及运行如下：

步骤一：构建微生物燃料电池，如图1所示：阳极室4和阴极室6均为玻璃质，容积为250ml，以Nafion 112选择性质子透过膜7隔开。

步骤二：分别将阳极电极3和阴极电极5置入阳极室和阴极室，电极材料为2.5×4cm²碳纸(东丽，日本)，装置经过高压灭菌后，通过外电路导线2连接阳极电极3和阴极电极5，在外电路导线上串联接入800Ω的外阻1和万用表(UT71D)8，万用表用于收集数据。

步骤三：在阳极室4和阴极室6分别加入反应液，其中阳极室的反应液为200ml LB培养液，然后接种脱色希瓦氏菌于阳极室内的LB培养液中，待电压下降后加入乳酸钠作为电子供体至终浓度为20mM/L，阴极室反应液为含有50mg/L铁氰化钾的PBS，以上所用溶液均经过高压灭菌处理。

步骤四：对照组阳极室吹氮气30min，除去溶液中的溶解氧，并密封瓶口保持厌氧。实验组阳极室不吹氮气，静置反应。启动装置并收集数据。对照组和实验组的微生物燃料电池输出电压随时间变化，如图2所示。

结果显示，不吹氮气静置反应的装置的最高输出电压约为520mV，明显高于阳极室吹氮气的对照组的285mV，与之相应的是静置反应的装置的阳极室溶液中脱色希瓦氏菌的密度高于对照组。由于脱色希瓦氏菌为兼性厌氧微生物，在有氧气存在时可以以氧气为电子受体获得较多的能量，快速代谢繁殖，从而导致试验中静置反应组菌体密度较高。高密度的菌体可以迅速消耗阳极培养液表面的溶氧，从而维持液面下电极周围的厌氧环境。测得液面下2cm处即达到较高的厌氧程度，溶氧为0.04mg/L，随着深度的增加，溶氧浓度继续下降。

实施例2：

本实验包括两组装置，一组添加乳酸钠为电子供体，另一组不添加乳酸钠作为对照。

装置构建及运行如下：

步骤一：构建微生物燃料电池，如图1所示：阳极室4和阴极室6均为玻璃质，容积为250ml，以Nafion 112选择性质子透过膜7隔开。

步骤二：分别将阳极电极3和阴极电极5置入阳极室和阴极室，电极材料为2.5×4cm²碳纸(东丽，日本)，装置经过高压灭菌后，通过外电路导线2连接阳极电极3和阴极电极5，在外电路导线上接入800Ω的外阻1(测定极化曲线时除外)和万用表(UT71D)8，万用表用于收集数据。

步骤三：在阳极室4和阴极室6分别加入反应液，其中阳极室的反应液为200ml LB培养液，然后接种脱色希瓦氏菌于阳极室内的LB培养液中，实验组待电压下降后加入乳酸钠作为电子供体至终浓度为20mM/L，而对照组不加入乳酸钠，阴极室反应液为含有50mg/L铁氰化钾的PBS，以上所用溶液均经过高压灭菌处理。

步骤四：启动装置并开始收集数据。

相关计算方法如下：

I＝U/R(I：电流；U：电压；R：电阻)，P＝U·I(P：功率；I：电流；U：电压)，库伦效率(Coulombicefficiency，CE)＝I·T/F·C·n(I：电流；T：时间；F：法拉第常数，96485；C：加入乳酸钠摩尔量；n：一摩尔乳酸钠提供的电子数)。

电池极化曲线的绘制方法采用稳态放电法，将外阻40000Ω逐步改变，依次为：20000Ω，10000Ω，5000Ω，2500Ω，1000Ω，800Ω，600Ω，400Ω，200Ω，100Ω，80Ω，60Ω，40Ω，20Ω，10Ω，待数据稳定30min后分别记录相关电压值，根据上述计算方法绘制电池极化曲线，见于图4。

图3是添加电子供体乳酸钠和不添加电子供体乳酸钠的微生物燃料电池输出电压随时间变化图，如图3所示，在电子供体乳酸钠未加入阳极溶液时，装置也具有一定的产电能力。这是由于LB溶液本身含有丰富的营养成分，其中包括电子供体和电子介体等物质，结果中出现的在未添加电子供体乳酸纳时的产电量增加，即为在丰富培养基中脱色希瓦氏菌产生的本底电流，而且，随实验的进行，即使不额外添加乳酸钠，由于成分复杂及微生物代谢产物的出现和积累，对照组也可在长时间内维持一定产电能力(图3)。在加入乳酸钠后，装置输出电压很快增加至500mV，表明乳酸钠作为电子供体很快被微生物利用并转化为电能。所构建的基于脱色希瓦氏菌的免除氧微生物燃料电池在固定外阻(800Ω)最高输出电流可维持在0.66mA，功率0.35W，库伦效率(扣除本底产电量)约9.8％，从极化曲线分析，该装置的表观内阻约600Ω(图4)。

Claims (5)

1.一种基于脱色希瓦氏菌(Shewanella decolorationis)的微生物燃料电池，包括阳极室、阴极室、阳极电极、阴极电极、质子透过膜和外接电路，在阳极室内接种有微生物，还装有微生物的培养液和电子供体，在阴极室装有阴极反应液，其特征在于所述的微生物为脱色希瓦氏菌。

2.根据权利要求1所述的基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池，其特征在于，所述的培养液为LB培养液。

3.根据权利要求1所述的基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池，其特征在于，所述的电子供体为乳酸钠、甲酸钠或丙酮酸钠。

4.根据权利要求1所述的基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池，其特征在于，所述的阴极反应液为含有50mg/L铁氰化钾的PBS溶液。

5.权利要求1所述的基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)构建基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池；

b)启动基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池；

c)运行基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池；

在所述的启动基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池前或者运行基于脱色希瓦氏菌的微生物燃料电池时，无需除去阳极室内培养液中的溶氧。

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