CN106967653B - 一种嗜吡啶红球菌及其在微生物燃料电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种嗜吡啶红球菌及其在微生物燃料电池中的应用。嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR‑1，该菌于2017年04月13日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，其保藏编号为：CGMCC NO.14021。本发明的嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR‑1为兼性厌氧菌，能有效的分解多种有机物同时获得电能，能提高微生物燃料电池的输出电压，对垃圾渗滤液、工业废水等极端有机废水具有较好的适应性，可以作为微生物燃料电池的阳极催化剂处理极端有机废水。

Description

一种嗜吡啶红球菌及其在微生物燃料电池中的应用
技术领域：
本发明属于环境与新能源技术领域，具体涉及一种嗜吡啶红球菌及其在微生物燃料电池中的应用。
背景技术：
微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是一种以微生物为阳极催化剂，将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。同常规燃料电池相比，MFCs以微生物代替昂贵的化学催化剂，具有操作条件温和、无需为防止催化剂中毒提纯燃料、环境友好、能量转化率高、生物相容性好、原料来源更广泛等众多优点。理论上，所有可微生物降解的有机物(如有机废水、人畜粪便、厨余垃圾等有机废弃物)均可作为MFCs的燃料，因而MFCs可在处置有机废物的同时产生清洁能源。
产电微生物作为MFC的阳极催化剂，氧化有机物产生电子并将电子通过一定途径传递到阳极电极上的速率是影响MFC输出功率的主要限制因素之一。因此，新型高效产电微生物的分离鉴定及其产电机制的研究，不仅有助于阐明MFC中的产电呼吸代谢途径，而且有利于进一步提高MFC的产电性能。
嗜吡啶红球菌是一种能够降解吡啶、苯酚等含氮杂环芳香烃化合物的微生物菌株，自20世纪70年代以来就有研究人员陆续分离到了一些此类的降解菌株，如孙纪全等从制革废水中分离到一株能够降解吡啶、苯酚的红球菌，该菌株能够在铬–吡啶、苯酚–吡啶复合污染条件下降解吡啶，并且特定浓度的苯酚会促进该菌株降解吡啶，具有了较好的工程应用前景。经文献和专利检索，尚未发现关于嗜吡啶红球菌具有产电活性的报道。
发明内容：
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种嗜吡啶红球菌及其在微生物燃料电池中的应用。
本发明的第一个目的是提供一种嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1，该菌于2017年04月13日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，其保藏编号为：CGMCC NO.14021。
本发明的第二个目的是提供嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1在微生物发电中的应用。
本发明的第三个目的是提供一种微生物发电方法，其特征在于，包括以下步骤：将嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1菌体重悬于含有燃料的阳极液中，然后接入到灭菌的微生物燃料电池中，静置培养进行产电。
所述的含有燃料的阳极液优选为垃圾渗滤液。
所述的燃料优选为柠檬酸、琥珀酸、葡萄糖、蔗糖、酵母粉和乙酸钠的一种或几种。
本发明的第四个目的是提供嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1在微生物燃料电池中的应用。
所述的微生物燃料电池优选为单室空气阴极微生物燃料电池。
所述的嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1在作为微生物燃料电池的阳极催化剂用于处理垃圾渗滤液中的应用。
本发明的第五个目的是提供一种微生物燃料电池，其特征在于，所述的微生物燃料电池的阳极催化剂为嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1。
所述的微生物燃料电池的燃料优选为柠檬酸、琥珀酸、葡萄糖、蔗糖、酵母粉和乙酸钠中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1具有产电活性，可以作为微生物燃料电池的阳极催化剂，它能有效分解有机物从而直接获得电能，通过定期更换阳极液中有机物，可保持菌株的催化活性长期连续运行，催化剂不易中毒，电池运行成本较低。
(2)本发明的嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1是从垃圾渗滤液中分离出来的，环境适应强，对垃圾渗滤液、工业废水等极端有机废水具有较好的适应性，可以作为微生物燃料电池的阳极催化剂处理极端有机废水。
(3)本发明的嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1为兼性厌氧菌，能有效的分解柠檬酸、琥珀酸、葡萄糖、蔗糖、酵母粉或乙酸钠等多种有机物同时获得电能，能提高微生物燃料电池的输出电压。
本发明的嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1于2017年04月13日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，其保藏编号为：CGMCC NO.14021。
附图说明：
图1是微生物燃料电池处理垃圾渗滤液时电压输出情况；
图2是嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1利用乙酸钠为燃料产电情况；
图3是嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1负载在微生物燃料电池阳极电极的SEM图。
具体实施方式：
以下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：嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1的分离鉴定
以广东省某垃圾焚烧厂垃圾渗滤液为单室空气阴极微生物燃料电池阳极液，启动单室空气阴极微生物燃料电池。单室空气阴极微生物燃料电池以碳布为阴极和阳极电极，Pt/C为阴极催化剂，外接1000Ω电阻。将单室空气阴极微生物燃料电池置于30℃的生化培养箱中，静置培养。在线监测电池的输出电压，最大输出电压达到0.35V，待电池输出电压稳定后再连续培养一个月，电池输出电压稳定(见图1)。
拆开电池，剪取一小块阳极碳布，接入到LB液体培养基中进行扩大培养，随后多次涂LB平板分离到单菌落，得到HR-1菌株。
该菌株的分类学特征是：
1、形态学特征：
菌落形态呈现圆形，呈红色，单菌落直径大小约为2mm左右，边缘整齐规整；细胞形态为短杆状，尺寸范围为1.0～2.0μm×0.2～0.4μm，兼性厌氧。
生理生化性质见表1：
表1菌株HR-1的生理生化性质
注：+表示可反应，-表示不可反应或反应较弱
2、分子生物学分离特征：
利用常规方法提取该菌的16S rDNA，其16S rDNA的核苷酸序列如SEQ ID NO：1所示，分析表明，该HR-1菌株的16S rDNA与前期Yoon,J.H.等从韩国工业废水中分离的Rhodococcus pyridinovorans PDB9T菌株的16S rDNA序列相似度为98.66％，表明该菌属于红球菌属中的一个种。
综上所述，鉴定该菌属于红球菌属中的一个种，命名为嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1，该菌于2017年04月13日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，其保藏编号为：CGMCC NO.14021。
实施例2：以乙酸钠为燃料的产电情况
将实施例1中得到的嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1接种到LB液体培养基中，在30℃、160rpm条件下摇床活化菌体36h，使菌体数量达到指数生长期，菌液在4000rpm下离心10分钟，随后用PBS洗涤3次，重新悬浮于0.2mol/L的乙酸钠溶液(即为含有燃料的阳极液)中，作为微生物燃料电池的阳极接种液。
将阴极和阳极电极为碳布，Pt/C为阴极催化剂，外接1000Ω电阻的单室空气阴极微生物燃料电池组装好并灭菌，随后往电池中接入上述制备好的阳极接种液，为缩短电池启动时间，阳极接种液中菌体数量达到8×106个/L，将电池置于30℃的生化培养箱静置培养，在线监测电池输出电压，输出电压结果如图2所示。由图2可知，以嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1作为微生物燃料电池的阳极催化剂，以乙酸钠为燃料，微生物燃料电池的最大电压达到0.48V。
实施例3：以葡萄糖为燃料的产电情况
与实施例2的不同之处在于：
含有燃料的阳极液为0.2mol/L的葡萄糖溶液，阳极接种液中嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1菌体数量达到1×106个/L，将电池置于30℃的生化培养箱静置培养，在线监测电池最大输出电压稳定于0.40V，说明嗜吡啶红球菌(Rhodococcuspyridinovorans)HR-1可以在微生物燃料电池系统中有效的降解葡萄糖获得电能。
实施例4：以柠檬酸为燃料的产电情况
与实施例2的不同之处在于：
含有燃料的阳极液为0.2mol/L的柠檬酸溶液，将电池置于30℃的生化培养箱静置培养，在线监测电池最大输出电压稳定于0.38V，说明嗜吡啶红球菌(Rhodococcuspyridinovorans)HR-1可以在微生物燃料电池系统中有效的降解柠檬酸获得电能。
实施例5：以琥珀酸为燃料的产电情况
与实施例2的不同之处在于：
含有燃料的阳极液为0.2mol/L的琥珀酸溶液，将电池置于30℃的生化培养箱静置培养，在线监测电池最大输出电压稳定于0.36V，说明嗜吡啶红球菌(Rhodococcuspyridinovorans)HR-1可以在微生物燃料电池系统中有效的降解琥珀酸获得电能。
实施例6：以蔗糖为燃料的产电情况
与实施例2的不同之处在于：
含有燃料的阳极液为0.2mol/L蔗糖，将电池置于30℃的生化培养箱静置培养，在线监测电池最大输出电压稳定于0.40V，说明嗜吡啶红球菌(Rhodococcuspyridinovorans)HR-1可以在微生物燃料电池系统中有效的降解蔗糖获得电能。
实施例7：以垃圾渗滤液为含有燃料的阳极液的产电情况
与实施例2的不同之处在于：
含有燃料的阳极液为垃圾渗滤液，还格外加入了嗜吡啶红球菌(Rhodococcuspyridinovo rans)HR-1，制得的阳极接种液中的嗜吡啶红球菌(Rhodococcuspyridinovorans)HR-1的浓度与实施例2相同。将电池置于30℃的生化培养箱静置培养，在线监测电池最大输出电压稳定于0.40V。因此加入嗜吡啶红球菌(Rhodococcuspyridinovorans)HR-1提高了电池的稳定最高输出电压。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利保护范围中。
序列表
<110> 中国科学院广州能源研究所
<120> 一种嗜吡啶红球菌及其在微生物燃料电池中的应用
<160> 1
<210> 1
<211> 1420
<212> DNA
<213> 嗜吡啶红球菌（Rhodococcus pyridinovorans）HR-1
<400> 1
ggatgcggtg ctaccatgca gtcgaacgat gaagccagct tgctgggtgg attagtggcg 60
aacgggtgag taacacgtgg gtgatctgcc ctgcactctg ggataagcct gggaaactgg 120
gtctaatacc ggatatgacc tcgggatgca tgtcctgggg tggaaagttt ttcggtgcag 180
gatgagcccg cggcctatca gcttgttggt ggggtaatgg cctaccaagg cgacgacggg 240
tagccggcct gagagggcga ccggccacac tgggactgag acacggccca gactcctacg 300
ggaggcagca gtggggaata ttgcacaatg ggcgcaagcc tgatgcagcg acgccgcgtg 360
agggatgacg gccttcgggt tgtaaacctc tttcacccat gacgaagcgc aagtgacggt 420
agtgggagaa gaagcaccgg ccaactacgt gccagcagcc gcggtaatac gtagggtgcg 480
agcgttgtcc ggaattactg ggcgtaaaga gctcgtaggc ggtttgtcgc gtcgtctgtg 540
aaatcccgca gctcaactgc gggcttgcag gcgatacggg cagactcgag tactgcaggg 600
gagactggaa ttcctggtgt agcggtgaaa tgcgcagata tcaggaggaa caccggtggc 660
gaaggcgggt ctctgggcag taactgacgc tgaggagcga aagcgtgggt agcgaacagg 720
attagatacc ctggtagtcc acgccgtaaa cggtgggcgc taggtgtggg tttccttcca 780
cgggatccgt gccgtagcca acgcattaag cgccccgcct ggggagtacg gccgcaaggc 840
taaaactcaa aggaattgac gggggcccgc acaagcggcg gagcatgtgg attaattcga 900
tgcaacgcga agaaccttac ctgggtttga catgtaccgg acgactgcag agatgtggtt 960
tcccttgtgg ccggtagaca ggtggtgcat ggctgtcgtc agctcgtgtc gtgagatgtt 1020
gggttaagtc ccgcaacgag cgcaaccctt gtcctgtgtt gccagcacgt gatggtgggg 1080
actcgcagga gactgccggg gtcaactcgg aggaaggtgg ggacgacgtc aagtcatcat 1140
gccccttatg tccagggctt cacacatgct acaatggtcg gtacagaggg ctgcgatacc 1200
gtgaggtgga gcgaatccct taaagccggt ctcagttcgg atcggggtct gcaactcgac 1260
cccgtgaagt cggagtcgct agtaatcgca gatcagcaac gctgcggtga atacgttccc 1320
gggccttgta cacaccgccc gtcacgtcat gaaagtcggt aacacccgaa gccggtggca 1380
gagcctgatc gtggcacgga gccgacgaag tgatcgaacc 1420

Claims (7)

1.一种嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1，其保藏编号为：CGMCCNO.14021。
2.权利要求1所述的嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1在微生物发电中的应用。
3.一种微生物发电方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1所述的嗜吡啶红球菌(R hodococcus pyridinovorans)HR-1菌体重悬于含有燃料的阳极液中，然后接入到灭菌的微生物燃料电池中，静置培养进行产电；所述的含有燃料的阳极液为垃圾渗滤液；所述的燃料为柠檬酸、琥珀酸、葡萄糖、蔗糖、酵母粉和乙酸钠一种或几种。
4.权利要求1所述的嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1在微生物燃料电池中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述的微生物燃料电池为单室空气阴极微生物燃料电池。
6.根据权利要求4或5所述的应用，其特征在于，所述的嗜吡啶红球菌(Rhodococcuspyridi novorans)HR-1在作为微生物燃料电池的阳极催化剂用于处理垃圾渗滤液中的应用。
7.一种微生物燃料电池，其特征在于，所述的微生物燃料电池的阳极催化剂为权利要求1所述的嗜吡啶红球菌(Rhodococcus pyridinovorans)HR-1；所述的微生物燃料电池的燃料为柠檬酸、琥珀酸、葡萄糖、蔗糖、酵母粉和乙酸钠的一种或几种。
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