CN105304923B - 一种提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法，涉及一种提高燃料电池能量利用率的方法。本发明是要解决现有可降解苯酚的微生物燃料电池库伦效率偏低，导致能量利用率低的问题。方法：一、菌种活化：从保存的斜面培养物挑取蜡样芽孢杆菌WL027接种到LB固体培养基中，培养得活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物；二、种子液制备：将步骤一活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物接种到LB液体培养基中，培养使菌液中蜡样芽孢杆菌WL027处于对数中期；三、将种子液与阳极缓冲液放置于微生物燃料电池的阳极室，同时加入葡萄糖和苯酚。本发明用于微生物燃料电池领域。

Description

一种提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法
技术领域
本发明涉及一种提高燃料电池能量利用率的方法。
背景技术
苯酚是芳香化合物的一种，是染料、造纸、农药、医药等行业的生产原料和中间体。随着我国工业迅速发展，对苯酚需求量越来越大，同时含酚废水的排放量也在不断增加，对环境的污染日趋严重，被我国列为“水中优先控制污染物黑名单”。苯酚属于原生质物质，对于一切生物个体具有毒害作用，且具有“三致效应”。未经处理的苯酚废水，不但会污染环境，还会使蛋白质凝结，从而危害人类健康。
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种通过微生物体内的新陈代谢作用将有机物的化学能转化为电能的燃料电池装置。产电微生物可作为催化剂附着在阳极上形成生物膜，使有机物氧化降解，同时将释放的电子传递到阳极表面，形成电流。
目前，利用微生物燃料电池进行苯酚降解的报道越来越多。MFC法降解苯酚主要是利用MFC构成厌氧环境，微生物在厌氧条件下将苯酚羧化为4-羟基苯甲酸，然后经过辅酶A的硫酸化作用而被激活，生成4-羟基苯甲酰辅酶A，进一步脱羟基还原为苯甲酞辅酶A而进入苯甲酸途径，生成乙酰辅酶A，最终转化成乙酸。宋天顺等以600mg/L苯酚为燃料构建MFC，56h后测得苯酚降解率可达88.9％。丁巍巍等利用MFC对苯酚降解，苯酚降解率可达99.63％。虽然获得的苯酚降解率较高，均在90％左右，但是目前MFC处理苯酚多是采用厌氧污泥作为初始接种体。厌氧污泥具有丰富的微生物资源，产电微生物在其中占比不高，所以大部分有机物并没有用来产电，而是被呼吸作用消耗，导致燃料电池的库伦效率偏低。库伦效率是反映微生物燃料电池所降解的有机物用来产电部分所占的比例。库伦效率越大，电子回收率越高，也就是电池的能量转化率越高。骆海萍等利用葡萄糖(1000mg/L)和苯酚(600mg/L)作为燃料，测得MFC的库伦效率为2.3％。范平通过直接驯化方式构建MFC，获得1.47％的库伦效率。蒋胜韬等以葡萄糖(500mg/L)和苯酚(500mg/L)为燃料构建MFC，库伦效率仅为0.48％。
发明内容
本发明是要解决现有可降解苯酚的微生物燃料电池库伦效率偏低，导致能量利用率低的问题，提供一种提高微生物燃料电池能量利用率的方法。
本发明提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法，按以下步骤进行：
一、菌种活化：从保存的斜面培养物挑取蜡样芽孢杆菌WL027接种到LB固体培养基中，在24～34℃条件下培养24～48h，得活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物；
二、种子液制备：将步骤一活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物接种到LB液体培养基中，在温度为24～34℃，转速为160r/min的摇床上培养24～48h，使菌液中蜡样芽孢杆菌WL027处于对数中期；
三、将种子液与阳极缓冲液按照体积比1:2的比例放置于微生物燃料电池的阳极室，同时加入葡萄糖和苯酚，使葡萄糖和苯酚的终浓度分别达200～1500mg/L和1000mg/L。
针对阳极为碳毡电极的微生物燃料电池，在使用前对阳极电极碳毡用FeCl3进行改性，具体方法为：阳极碳毡先用丙酮浸泡3h后，真空抽滤，除去表面的油性物质，再用去离子水冲洗并浸泡煮沸，每隔0.5h换一次水，共煮沸3h；将电极材料放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用；将处理后阳极碳毡用0.1mol/L的FeCl3溶液浸泡4h后，用去离子水冲洗至黄色消失，将碳毡放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用。
针对阴极为碳刷电极的微生物燃料电池，在使用前对阴极电极处理，具体方法为：将阴极电极碳刷先放入到1mol/L的HCl中浸泡24h后，放入到1mol/L的NaOH溶液中，浸泡24h；然后将碳刷放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用。
本发明方法适用于任何的微生物燃料电池。
本发明所述蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)WL027可高效降解苯酚，保藏在中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，保藏地址是武汉市武汉大学，保藏日期为2015年7月10日，保藏编号为CCTCC No：M 2015439。
本发明的有益效果：
1、本发明中首次用处于对数中期的蜡样芽孢杆菌WL027接种到阳极室，构建MFC。该菌为好氧菌，具有同时降解苯酚和产电的性能，在MFC中的应用目前尚未报道。
2、现有微生物燃料电池大多采用含有混合菌株的活性污泥等接种阳极室，其能量利用率较低，库伦效率最高仅为2.3％。本发明将好氧纯菌株接种到阳极室，可明显提高微生物燃料电池的能量利用率，即提高库伦效率。本发明构建的MFC的库伦效率经计算为64％左右，与现有技术相比提高了近28倍，相比报道过的可降解苯酚的MFC得到显著的提高。
3、本发明方法可显著提高微生物燃料电池对苯酚降解的效率，在84h内苯酚降解率可达66％～69％。
4、本发明方法简单，易操作，成本低。
附图说明
图1为实施例1中微生物燃料电池的结构示意图；图2为实施例1中微生物燃料电池的运行结果；图3为实施例1微生物燃料电池的苯酚降解率曲线；图4为没有附着菌体的碳毡电极扫描电镜图(×3000倍)；图5为处于稳定时期的WL027菌株在碳毡电极表面附着扫描电镜图(×3000倍)；图6为处于稳定时期的WL027菌株在碳毡电极表面附着扫描电镜图(×5000倍)；图7为处于稳定时期的WL027菌株在碳毡电极表面附着扫描电镜图(×8000倍)。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法，按以下步骤进行：
一、菌种活化：从保存的斜面培养物挑取蜡样芽孢杆菌WL027接种到LB固体培养基中，在24～34℃条件下培养24～48h，得活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物；
二、种子液制备：将步骤一活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物接种到LB液体培养基中，在温度为24～34℃，转速为160r/min的摇床上培养24～48h，使菌液中蜡样芽孢杆菌WL027处于对数中期；
三、将种子液与阳极缓冲液按照体积比1:2的比例放置于微生物燃料电池的阳极室，同时加入葡萄糖和苯酚，使葡萄糖和苯酚的终浓度分别达200～1500mg/L和1000mg/L。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)WL027保藏在中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，保藏地址是武汉市武汉大学，保藏日期为2015年7月10日，保藏编号为CCTCC No：M 2015439。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中在30℃条件下培养48h。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中在温度为30℃，转速为160r/min的摇床上培养31h。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中使葡萄糖的终浓度达500～1000mg/L。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：针对阳极为碳毡电极的微生物燃料电池，在使用前对阳极电极碳毡用FeCl3进行改性，具体方法为：阳极碳毡先用丙酮浸泡3h后，真空抽滤，除去表面的油性物质，再用去离子水冲洗并浸泡煮沸，每隔0.5h换一次水，共煮沸3h；将电极材料放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用；将处理后阳极碳毡用0.1mol/L的FeCl3溶液浸泡4h后，用去离子水冲洗至黄色消失，将碳毡放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：针对阴极为碳刷电极的微生物燃料电池，在使用前对阴极电极处理，具体方法为：将阴极电极碳刷先放入到1mol/L的HCl中浸泡24h后，放入到1mol/L的NaOH溶液中，浸泡24h；然后将碳刷放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用。其它与具体实施方式一至六之一相同。
为验证本发明的有益效果，进行以下实验：
实验1：
本实验中使用的培养基如下：
LB液体培养基：蛋白胨10g/L、酵母浸粉5g/L和氯化钠10g/L。
LB固体培养基：蛋白胨10g/L、酵母浸粉5g/L、氯化钠10g/L和琼脂20g/L。
阳极缓冲液：NH4Cl 1.5g/L，MgCl2·6H2O 0.1g/L，CaCl2 0.1g/L，KH2PO4 0.1g/L，NaHCO32.52g/L，Na2S 0.5g/L，pH 7。
阴极缓冲液：Na2HPO4 2.75g/L，NaH2PO4 4.22g/L，pH 7.5。
一、菌种活化：从保存的斜面培养物挑取蜡样芽孢杆菌WL027接种到LB固体培养基中，在30℃条件下培养48h，得活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物；
二、种子液制备：将活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物接种到LB液体培养基上，在温度为30℃，转速为160r/min的摇床上培养31h，使菌液中蜡样芽孢杆菌WL027处于对数中期。
本实施例微生物燃料电池在使用前对阳极电极碳毡用FeCl3进行改性，具体方法为：阳极碳毡先用丙酮浸泡3h后，真空抽滤，除去表面的油性物质，再用去离子水冲洗并浸泡煮沸，每隔0.5h换一次水，共煮沸3h；将电极材料放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用；将处理后阳极碳毡用0.1mol/L的FeCl3溶液浸泡4h后，用去离子水冲洗至黄色消失，将碳毡放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用。
本实施例微生物燃料电池在使用前对阴极电极处理，具体方法为：将阴极电极碳刷先放入到1mol/L的HCl中浸泡24h后，放入到1mol/L的NaOH溶液中，浸泡24h；然后将碳刷放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用。
本实施例微生物燃料电池由取样口导管1、止水夹2、阳极3、阳极电极4、转子5、阴极电极碳刷6、盐桥7、阴极室8、橡皮塞9、电夹10、负载R11、数据采集器12和电脑13组成。装置的主体是采用的是两个外径为80mm，高为170mm的有机玻璃试剂瓶。两个试剂瓶分别作为微生物燃料电池的阴极室与阳极室，有效容积均是550mL。阳极室上端中部设有取样口，如图1中的1所示，可以随时检测废水中苯酚浓度和COD去除率。阳极的电极采用的经过氯化铁改性的碳毡(5cm×5cm，有效面积12.56cm2)，阴极的电极采用的是碳刷，导线用铜丝链接，露出的部分用环氧树脂黏住。阴极室和阳极室之间用盐桥连接(外径10mm)，接口处均做绝缘处理。电路中设有外接变阻箱(0-9999Ω)，外电路电阻采用1000Ω。实验过程中所产生的电压通过双通道电压采集系统(PISO813)直接记录，电压采集系统通过导线与台式电脑相连，每60s测定一次数据。电池启动前，阳极室通入20min N2，保证阳极室的厌氧环境。将本实施例制备得到的处于对数中期菌液与阳极缓冲液按1:2的比例接入到阳极室(菌液浓度6.12×107CFU/mL)。同时加入1000mg/L的葡萄糖和500mg/L苯酚。阴极室加入的是含有K3[Fe(CN)6]的阴极缓冲溶液。将整个电池装置放在恒温磁力搅拌器上，温度为30℃，搅拌以便维持阳极溶液的均匀。
运行的结果如图2所示。菌株WL027在MFC中运行大致可以分为两个时期，电压快速上升期和相对稳定期。启动时的电压为0.45V，经历约8h的电压的快速增长后，电压趋于平稳，在74h处达到最大电压65mV。更换3次培养液，在340h处达到电压相对稳定期，最大电压为179mV。经计算MFC的库伦效率为64.25％，明显高于已经报道过的可降解苯酚的微生物燃料电池。
在取样口处将阳极液取出，测定不同时间阳极液上清液中的苯酚浓度。苯酚降解率曲线如图3所示。整体上，随着时间的增加，阳极液苯酚降解率呈上升趋势。研究结果表明，在84h内苯酚降解率可达68.6％。
图4为没有附着菌体的碳毡电极扫描电镜图(×3000倍)；图5-图7为处于稳定时期的WL027菌株在碳毡电极表面附着扫描电镜图，图5为×3000倍，图6为×5000倍，图7为×8000倍。
苯酚浓度测定及降解率和库伦效率(CE)计算：
培养液于12000r/min离心15min，上清液的苯酚浓度使用4-氨基安替比林直接光度法测定(国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会，《水和废水分析监测分析方法》[M].北京：中国环境科学出版社，1997，408-410)。
库伦效率(CE)计算公式：
式中△Γi为电流采样时间间隔(s)；Ii为时间间隔△Γi内电流的平均值(A)；CODin为初始化学需氧量(mg/L)；CODout为反应后的化学需氧量(mg/L)；M为氧分子量(32g/mol)；F为法拉第常数86485C/mol；b为1mol以氧为标准的氧化1mol有机物转移的电子数4mol e-1/mol；V为阳极的有效容积(mL)。

Claims (5)

1.一种提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、菌种活化：从保存的斜面培养物挑取蜡样芽孢杆菌WL027接种到LB固体培养基中，在24～34℃条件下培养24～48h，得活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物；
二、种子液制备：将步骤一活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物接种到LB液体培养基中，在温度为24～34℃，转速为160r/min的摇床上培养24～48h，使菌液中蜡样芽孢杆菌WL027处于对数中期；
三、将种子液与阳极缓冲液按照体积比1:2的比例放置于微生物燃料电池的阳极室，同时加入葡萄糖和苯酚，使葡萄糖和苯酚的终浓度分别达200～1500mg/L和1000mg/L；
步骤一所述蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)WL027保藏在中国典型培养物保藏中心，保藏地址是武汉市武汉大学，保藏日期为2015年7月10日，保藏编号为CCTCC No：M2015439；
针对阴极为碳刷电极的微生物燃料电池，在使用前对阴极电极处理，具体方法为：将阴极电极碳刷先放入到1mol/L的HCl中浸泡24h后，放入到1mol/L的NaOH溶液中，浸泡24h；然后将碳刷放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用。
2.根据权利要求1所述的一种提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法，其特征在于步骤一中在30℃条件下培养48h。
3.根据权利要求1所述的一种提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法，其特征在于步骤二中在温度为30℃，转速为160r/min的摇床上培养31h。
4.根据权利要求1所述的一种提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法，其特征在于步骤三中使葡萄糖的终浓度达500～1000mg/L。
5.根据权利要求1所述的一种提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法，其特征在于针对阳极为碳毡电极的微生物燃料电池，在使用前对阳极电极碳毡用FeCl3进行改性，具体方法为：阳极碳毡先用丙酮浸泡3h后，真空抽滤，除去表面的油性物质，再用去离子水冲洗并浸泡煮沸，每隔0.5h换一次水，共煮沸3h；将电极材料放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用；将处理后阳极碳毡用0.1mol/L的FeCl3溶液浸泡4h后，用去离子水冲洗至黄色消失，将碳毡放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用。
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