CN102324541A

CN102324541A - 一种微生物燃料电池阳极生物膜功能调控方法

Info

Publication number: CN102324541A
Application number: CN201110199472A
Authority: CN
Inventors: 全向春; 杨志峰; 全燕苹
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明涉及一种微生物燃料电池阳极生物膜功能调控方法，属于环境保护与资源综合-水污染防治领域。它是以易降解有机物进行微生物燃料电池阳极产电菌种的富集培养，然后以携带可移动功能基因片断(其上含有编码难降解有机物降解的基因)的微生物作为基因供体菌，通过基因供体菌与阳极生物膜微生物杂交，使功能基因片段转移到阳极生物膜微生物中，从而使阳极生物膜具有了分解难降解有机物产电的功能。该方法克服了传统的通过驯化培养难降解有机产电菌时间长、困难大的缺点，具有简单、快捷、高效等优点。

Description

一种微生物燃料电池阳极生物膜功能调控方法

所属技术领域

本发明涉及一种微生物燃料电池阳极生物膜功能调控方法，属于环境保护与资源综合-水污染防治领域。

发明背景

近年来，随着全球能源危机的发展，燃料电池技术的进步，利用电化学活性微生物(产电微生物)进行污染治理及能源回收的研究日益引起国内外研究者的关注。微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是当前利用电化学活性微生物产电的主要系统。但国内外针对微生物燃料电池的研究多采用葡萄糖、乙酸钠、乙醇、淀粉、养殖废水等含易降解有机物的模拟或实际废水为燃料(Rabaey et al.，2003；Liu et al.，2005；Oh et al.，2005；Min et al.，2005；Fenget al.，2008；Ahn et al.，2010)。近年来，有部分学者研究发现含呋喃、苯酚、喹啉、吡啶、石油类污染物的废水也可被电化学活性微生物降解产电(Catal et al.，2008；Morris et al.，2009；Luo et al.，2009；Zhang et al.，2009)。该发现拓展了微生物燃料电池可利用的废水类型，同时也为难降解有机废水的治理与资源化提供了新思路。

利用难降解有机废水产电的关键是在微生物燃料电池的阳极获得能够将难降解有机物分解并高效产电的微生物。一般研究多采用以易降解有机物和难降解有机物为混合燃料对微生物燃料电池的阳极微生物进行逐步培养和驯化，这种方法需要的时间长，不确定性强。如张翠萍等(2009)研究微生物燃料电池对喹啉的降解及产电特性，当喹啉初始浓度为500mg/l，葡萄糖与喹啉浓度之比为1∶1、3∶5、1∶5时，微生物燃料电池的最大功率密度分别为173mW·m^-2、122mW·m^-2和60mW·m^-2，葡萄糖浓度对喹啉的降解速率有较大影响。目前，以难降解有机物为主要或单一燃料产电的微生物燃料电池效率通常都比较低。如Luo等人(2009)考察了微生物燃料电池利用含酚废水的产电情况，发现苯酚为单一燃料系统产电效率要比葡萄糖作为辅助燃料时低；苯酚(1000mg/l)为唯一碳源，铁氰化钾阴极微生物燃料电池最大输出电压为387～540mV；当500mg/l葡萄糖与1000mg/l苯酚共基质时，最大输出电压635mV，功率密度为342.0mW/m²(阴极)。有谢难降解有机物很难被微生物利用来产电。Catal等(2008)研究了呋喃衍生物和酚类化合物对微生物燃料电池产电的影响，发现它们不能直接用于产电，但其中一些物质在一定浓度范围内时，并不影响葡萄糖产电。总体来说，利用难降解有机物产电的研究还处于初期阶段，总体产电效率还较低。

基因强化是一种从基因水平对微生物群落结构与功能进行调控的方法。它是通过向系统引入编码特殊降解功能的可移动基因片断(Mobile genetic elements，MGEs)，使基因片断在微生物细胞间发生水平转移和扩散，从而使接受MGEs的微生物获得某种特殊功能(Top et al.，2002)。这种方法具有针对性强、见效快、操作简单等特点。以往研究多将这种方法用于污染土壤及废水处理系统微生物的群落调控及难降解有机物的强化去除(Top et al.，1998，2002；Bathe et al.，2004；全向春等，2009 a，b)。能否利用基因强化对电化学活性微生物进行功能调控，使其利用难降解有机污染物高效产电，相关研究尚未见文献报导。因此，本发明提出了利用基因强化对电化学活性微生物群落结构与功能调控的新思路，将携带可移动基因片断(编码某种难降解有机物降解功能)的基因供体菌与电化学活性微生物杂交，提高电化学活性微生物利用难降解有机物产电能力，构建以难降解有机物为燃料的高效产电的微生物燃料电池系统。该发明对于微生物燃料电池技术在难降解有机废水处理及资源化方面具有实践意义。

发明内容

阳极生物膜的功能及活性是微生物燃料电池利用难降解有机物为燃料高效运行及产电的关键。以往利用难降解有机物产电的微生物燃料电池多通过驯化培养的方法进行阳极产电菌的富集与挂膜，这种方法需要的周期比较长，效果的不确定性较强。本发明的目的在于提出一种以难降解有机物为燃料的微生物燃料电池阳极生物膜功能调控方法。它是利用基因强化对微生物燃料电池阳极生物膜功能进行调控，具有时间短、效能高等优点，对于推动微生物燃料电池在难降解有机物资源化方面的应用具有重要的实践意义。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：首先以易降解有机物为燃料在微生物燃料电池的阳极进行产电菌种的富集与挂膜，然后以携带可移动功能基因片断(其含有编码难降解有机物降解的基因)的微生物作为基因供体菌，在阳极室内与阳极生物膜杂交，使可移动基因片断转移到阳极生物膜微生物中，从而使阳极产电微生物获得利用难降解有机物产电的功能。

供体菌携带的可移动基因片断包括质粒、转座元件及其它可移动基因片断，基因片断上含有编码目标物降解功能的完整基因簇。

易降解有机物包括葡萄糖、乙酸钠、乙醇等一切容易被微生物利用的有机物。

微生物燃料电池类型包括单室、双室型燃料电池。

微生物燃料电池的阳极材料，包括碳纸、碳布、碳毡及石墨板。

有益效果

(1)本发明提出了利用携带可移动功能基因片断的基因供体菌与微生物燃料电池阳极生物膜杂交，进行微生物燃料电池阳极生物膜功能调控的方法，与传统的通过驯化获取建立利用难降解有机产电的微生物燃料电池相比，具有简单、快捷、高效等优点；

(2)利用本发明提出的方法对微生物燃料电池阳极生物膜进行功能调控，不仅会使其对目标污染物的去除功能比调控前高80％～300％，还保持了阳极生物膜的稳定性。

附图说明

图1微生物燃料电池结构图

图中标号1-阳极电极；2-阴极电极；3-阳极室；4-阴极室；5-质子交换膜；6-曝气头；7-外电阻；8-电压表；9-导线；10-曝气管；11-橡胶塞；12-曝气机

图2经过pJP4质粒基因强化调控的微生物燃料电池产电及有机物降解情况

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

(1)微生物燃料电池系统构建：建立微生物燃料电池系统，双室的微生物燃料电池系统(图1)包括阳极室(3)，阳极室内的阳极(1)，阴极室(4)，阴极室内的阴极(4)，阴极室内的曝气头(6)，质子交换膜或阳离子交换膜(5)，阴阳极通过导线(9)与外电阻(7)和电压表(8)相连，阳极室(3)进水口通过橡胶塞密闭(11)，曝气机(12)将氧气经由曝气管(10)和曝气头(6)输送到阴极室(4)。

(2)基因供体菌的培养收集：将携带可移动功能基因片断的微生物预培养到对数增长期后，离心收集菌体并用无菌磷酸盐缓冲溶液洗涤2～3次，然后重悬于无机盐培养基中，制备供体菌菌悬液；

(3)产电菌种的富集培养：建立双室或单室型的微生物燃料电池系统，阳极材料可采用碳布、碳纸、碳毡、石墨碳棒，阴极材料可采用载铂碳纸、碳布等。向阳极室内接种污泥，同时加入相当于600～1200mg/l COD的易降解有机物，如葡萄糖、乙酸钠等有机物，补充磷酸盐缓冲溶液和微量元素，负载外电阻1000欧，控制温度20～35℃，运行微生物燃料电池系统，监测外电压输出情况，当电压输入低于50mV时，更换阳极室内基质，开始下一周期运行，直至输出电压稳定达到300mV以上，认为产电菌种富集成功。

(4)基因供体菌与产电菌种杂交：产电菌种富集成功后，弃掉阳极室内的溶液及悬浮污泥，加入由一定含量的易降解有机物及目标难降解有机物构成的混合基质废水，同时向阳极室内加入一定量的供体菌菌悬液，控制其浓度为1～2g/l。供体菌与阳极生物膜在20℃～35℃下杂交5～24h后，更换阳极溶液，加入新的由易降解有机物及难降解有机物构成的混合基质废水，运行微生物燃料电池系统，监测运行过程电压输出情况，运行过程不断提升进水中难降解有机物物占总COD的百分率，最后达到以难降解有机物高效产电的目的。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例：

实例1

(1)基因供体菌的扩培：以携带质粒pJP4(其上含编码2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)降解功能的基因簇(tfd))的基因工程菌Pseudomonas putida SM1443::gfp2x(pJP4::dsRed)为供体菌，以LB营养培养基对其扩大培养36h后离心收集菌体，并以无菌磷酸盐缓冲溶液洗涤3次，制成菌悬液；

(2)微生物燃料电池系统阳极产电菌种的富集：构建双室微生物燃料电池系统，以碳布做阳极，载铂碳纸做阴极，钛丝做导线，向阳极室内接种厌氧污泥，并入含乙酸钠的无机盐培养液，乙酸钠的浓度800mg/l。无基盐培养液的成分为(g/L)：无基盐培养液的成分为(g/l)：4.0896Na₂HPO₄，2.544NaH₂PO₄，0.31NH₄Cl，0.13KCl以及少量微量元素。微量元素的组成为(mg/l)：10CaCl₂，1.16H₃BO₄，2.78FeSO₄·7H₂O，1.25ZnSO₄·7H₂O，1.69MnSO₄·H₂O，0.38CuSO₄·5H₂O，0.15CoCl₂·6H₂O，0.10MoO₃。调整外电阻为1000欧，采用数据采集系统采集输出的电压。当输出电压低于50mV时，更换阳极室溶液，加入新鲜的乙酸钠溶液。运行3个周期后，输出电压达到0.34V，产电菌种富集成功。

(3)基因供体菌与阳极产电菌种杂交：产电菌种富集成功后，弃掉阳极室内的溶液及悬浮污泥，向阳极室内加入基因供体菌菌悬液，含500mg/l乙酸钠和50mg/l 2，4-D的无机盐培养液，基因供体菌浓度为1.32g/l。供体菌与阳极生物膜在22℃下杂交8h后，然后更换阳极溶液，加入700mg/l乙酸钠和50mg/l 2，4-D的无机盐培养液，继续运行，监测运行过程电压输出情况，然后按照进水COD保持不变，根据2，4-D的去除情况逐步提高其在进水中的百分比。运行3周期后在微生物燃料电池系统的阳极形成了能够利用2，4-D高效产电的生物膜。该系统能够利用含880mg/l乙酸钠和180mg/l 2，4-D的混合废水产电，最大输出电压0.45V，133h时2，4-D去除率达到91％，对照系统2，4-D去除率为30％(见图1)。

实例2

(2)微生物燃料电池系统阳极产电菌种的富集：构建单室微生物燃料电池系统，以碳毡做阳极，载铂碳纸做阴极，钛丝做导线，向阳极室内接种厌氧污泥，并入含葡萄糖的无机盐培养液，葡萄糖的浓度800mg/l，无基盐培养液的成分为(g/l)：无基盐培养液的成分为(g/l)：4.0896Na₂HPO₄，2.544NaH₂PO₄，0.31NH₄Cl，0.13KCl以及少量微量元素。微量元素的组成为(mg/l)：10CaCl₂，1.16H₃BO₄，2.78FeSO₄·7H₂O，1.25ZnSO₄·7H₂O，1.69MnSO₄·H₂O，0.38CuSO₄·5H₂O，0.15CoCl₂·6H₂O，0.10MoO₃。调整外电阻为1000欧，采用数据采集系统采集输出的电压。当输出电压低于50mV时，更换阳极室溶液，加入新鲜的乙酸钠溶液。运行3个周期后，输出电压达到0.40V，产电菌种富集成功。

(3)基因供体菌与阳极产电菌种杂交：产电菌种富集成功后，弃掉阳极室内的溶液及悬浮污泥，向阳极室内加入基因供体菌菌悬液，含400mg/l葡萄糖和50mg/l 2，4-D的无机盐培养液，基因供体菌浓度为1.8g/l。供体菌与阳极生物膜在27℃下杂交12h后，然后更换阳极溶液，加入800mg/l乙酸钠和100mg/l 2，4-D的无机盐培养液，继续运行，监测运行过程电压输出情况，然后按照进水COD保持不变，根据2，4-D的去除情况逐步提高其在进水中的百分比。运行3周期后在微生物燃料电池系统的阳极形成了能够利用2，4-D高效产电的生物膜。该系统能够利用含800mg/l葡萄糖钠和300mg/l 2，4-D的混合废水产电，102h内2，4-D去除率达到100％，周期结束时COD的去除率达到90％。

Claims

1.一种微生物燃料电池(MFC)阳极生物膜功能调控方法，其特征在于：以易降解有机物进行微生物燃料电池阳极生物膜产电菌种的富集培养，然后以携带可移动功能基因片断(其上含有编码难降解有机物降解的基因)的微生物作为基因供体菌，通过基因供体菌与阳极生物膜微生物杂交，使功能基因片段转移到阳极生物膜微生物中，从而使阳极生物膜具备分解难降解有机物产电的功能。

2.根据权利要求1所述的可移动功能基因片断，包括质粒、转座元件及其它可移动基因片断。

3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池，包括双室和单室型微生物燃料电池。

4.根据权利要求1所述的微生物燃料电池的阳极，其材料包括碳纸、碳布、碳毡及石墨板。

5.根据权利要求1所述的易降解有机物，包括葡萄糖、乙酸钠、乙醇等一切容易被微生物利用的有机物。

6.根据权利要求1所述的微生物燃料电池阳极生物膜产电菌种的富集培养，其特征在于是按照下述步骤实现的：(1)建立微生物燃料电池装置，其由阳极室，阳极室内的阳极，阴极室，阴极室内的阴极，阴极室内的曝气头，质子交换膜或阳离子交换膜，外电阻构成；(2)向阳极室内接种污泥，并加入相当于600～1200mg/l COD的易降解有机物和一定量的无机盐培养液，将阴阳极通过导线与1000欧外电阻相连，控温20～35℃，当负载电压输出低于50mV时，更换阳极溶液进行下一周期运行，当负载电压输出稳定在300mV以上时，即认为阳极产电菌种富集成功。

7.根据权利要求1所述的基因供体菌与阳极生物膜杂交，其特征在于该方法是按照下述步骤实现的：(1)向成功富集了产电菌种的微生物燃料电池阳极室内接入预先扩培的基因供体菌，接种量为1～2g/l，并向阳极室加入一定量的难降解有机物和易降解有机物的混合物，搅拌混合条件下杂交5～24h；(2)杂交完成后放空阳极室内溶液，加入新鲜的易降解和难降解有机物的混合物及无机盐培养液，运行微生物燃料电池系统，当负载电压输出低于50mV时，更换阳极室燃料，随运行周期的增加不断提升难降解有机物在混合燃料中的比例，最后建立以难降解有机物为单一燃料或主要燃料产电的微生物燃料电池系统。