CN108565482B - 一种富集沉积物中导电微生物的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种富集沉积物中导电微生物的装置，包括：一填充沉积物的阳极室，置于一盛放水体的阴极室下方；一阳极，埋藏在阳极室内的沉积物表面以下；一复合型膜电极，其质子交换膜涂有Pt/C催化层的一面覆盖在沉积物表面；复合型膜电极的阴极置于阴极室内的水体中；阳极和阴极之间通过安培表和外接电阻相连接；阴极室内安装有曝气头，所述曝气头外接氧气。本发明还公开了利用上述装置富集沉积物中导电微生物的方法。

Description

一种富集沉积物中导电微生物的装置及方法
技术领域
本发明属于微生物研究领域，具体地涉及一种富集沉积物中导电微生物的装置。
本发明还涉及一种利用上述装置富集沉积物中导电微生物的方法。
背景技术
微生物的电子传递过程是微生物进行呼吸作用实现自身增殖的主要途径，从而在物质和能量的流动过程中发挥着关键作用。根据最终电子受体位置的不同，可分为胞内呼吸作用和胞外呼吸作用。其中，氧气、硝酸盐、硫酸盐等进入细胞内作为电子受体，氧化细胞内的有机物产生能量，被称为胞内呼吸作用。在厌氧条件下，微生物通过细胞色素c和功能蛋白将电子传递给腐殖质、固态金属氧化物等难以进入细胞内的物质，分解细胞内的有机物，被称为胞外呼吸作用，这种微生物也被称为导电微生物。微生物的胞外电子传递过程是有效降解有机污染物，还原高价有毒的重金属为低价无毒或低毒状态的重要手段，因而成为微生物学、环境化学等领域共同关注的热点。
目前，已知能够实现胞外电子传递的细菌主要是希瓦氏菌属(Shewanella)和地杆菌属(Geobacter)，它们在水体、土壤和沉积物中广泛分布。对于湖泊生态系统而言，沉积物是水体中污染物的源和汇，沉积物-水界面中导电微生物驱动的氧化还原作用是污染物降解的重要途径。因而，导电微生物的胞外电子传递过程具有广泛的应用前景。已有的铁循环强化、生物电化学技术等可以有效促进水体中污染物的降解。然而，污染物在沉积物中的沉积条件复杂，受多种因素的制约，尤其是对于淡水沉积物而言，导电微生物所占的相对比例远低于海洋沉积物，胞外电子传递过程受到较大的限制。
近年来，人们采用很多方法试图提高导电微生物的胞外电子传递能力，如：通过在沉积物-水系统中加入阳极、阴极、导线和电阻构成沉积物微生物燃料电池，加强胞外电子传递过程，来强化沉积物及水体中有机污染物的处理(CN102231440A，CN102659247A)；也有研究通过向沉积物中投加类蒽醌-2,6-二磺酸钠(AQDS)作为电子中间体来提高微生物的产电效率(Holmes et al.,2004)。而关于如何通过提高沉积物中微生物的丰度，来增加胞外微生物产电性能的研究较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种富集沉积物中导电微生物的装置。
本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置富集沉积物中导电微生物的方法。
为实现上述目的，本发明提供的富集沉积物中导电微生物的装置，包括：
一填充沉积物的阳极室，置于一盛放水体的阴极室下方；
一阳极，埋藏在阳极室内的沉积物表面以下；
一复合型膜电极，其质子交换膜涂有Pt/C催化层的一面覆盖在沉积物表面；
复合型膜电极的阴极置于阴极室内的水体中；
阳极和阴极之间通过安培表和外接电阻相连接；
阴极室内安装有曝气头，所述曝气头外接氧气。
所述的装置中，阳极室和阴极室通过固定螺栓相连接。
所述的装置中，阳极的结构为两片石墨板平行地粘贴在一玻璃基层上，且两片石墨板之间由一片玻璃板隔离开；
复合型膜电极由阴极和质子交换膜无涂层的一面粘合在一起组成，其中阴极为石墨板，质子交换膜为改良后的全氟磺酸膜。
所述的装置中，其中，阳极中的石墨板用导电银胶粘贴在玻璃基层上，玻璃板用环氧树脂粘贴在玻璃基层上；
复合型膜电极的阴极和质子交换膜通过导电银胶粘合在一起。
所述的装置中，石墨板用1N HCl浸泡，将Fe2+完全浸出后，用纯水冲洗干净，并重复多次。
本发明提供的利用上述装置富集沉积物中导电微生物的方法：
采集的沉积物在通N2的条件下填充于阳极室中，阴极室内加入水体；
阳极埋藏在沉积物表面以下；
复合型膜电极的质子交换膜涂有Pt/C催化层的一面覆盖在沉积物表面，复合型膜电极的阴极置于水体中，由质子交换膜隔离阳极室的沉积物和阴极室的水体；
曝气头利用外接氧气控制水体的溶解氧含量在8-10mg/L之间；
阳极与复合型膜电极的阴极通过外接电阻和安培表相连接；
将整个装置置于培养箱中于暗处在25-30℃下培养，开始富集过程；
反应周期结束后，将阳极板取出，刮下附着在其表面的微生物，富集到导电微生物的絮体。
所述的方法中，阳极埋藏在沉积物表面以下2-3cm。
所述的方法中，阳极室的沉积物为采集自淡水湖泊并经0.5mm孔径滤筛过滤所得。
所述的方法中，阴极室的水体为所采集沉积物区域中经0.45μm滤膜过滤后的湖水。
本发明通过构建生物地球电池系统，让导电微生物在阳极板表面不断积累，最终富集到导电微生物絮体。此外，由于采用了阴极和质子交换膜构成的复合型电极，提高了H+的传递效率，加快了反应速度。
附图说明
图1是本发明的富集沉积物中导电微生物的装置示意图。
图2是本发明的阳极示意图。
图3是本发明的复合型阴极示意图。
图4是本发明一个实施例的效果示意图。
图中标识说明：
1阳极室；2阴极室；3沉积物；4水体；5阳极；6复合型膜电极；7外电路；8外接电阻；9安培表；10外接氧气；11过滤头；12曝气头；13硅胶管；14固定螺栓；21玻璃基层；22石墨板；23玻璃板；31阴极；32质子交换膜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的说明。
请参阅图1、图2和图3。
本发明公开的富集沉积物中导电微生物的装置，是通过在沉积物-水系统中构建生物地球电池，让导电微生物不断地富集在阳极表面。
具体地说，本发明的装置主要包括阳极室1、阴极室2、沉积物3和水体4。
在一个实施例中，本发明的阳极室1材质可以为有机玻璃，圆柱形结构，内径为Φ16cm，高10cm，壁厚为0.5cm。阴极室2材质为有机玻璃，圆柱形结构，内径为Φ16cm，高15cm，壁厚为0.5cm。阳极室1和阴极室2通过固定螺栓14相连接。
阴极室2内安装有曝气头12，曝气头12通过硅胶管13外接氧气10，在一个具体实施例中，该外接氧气可以是一个氧气瓶。曝气头12与外接氧气10之间可以设置一过滤头11。
本发明的装置中，阳极5通过外电路7、安培表9、外接电阻8与复合型膜电极6相连接，构建成生物地球电池。
其中阳极5如图2所示，阳极5分为两层，第一层为玻璃基层21，第二层为二片石墨板22和一片玻璃板23。璃基层21位于最下层，二片石墨板22平行并列地用导电银胶粘合在玻璃基层21上，位于二片石墨板之间的玻璃板23用环氧树脂粘合在玻璃基层21上。石墨板22的一端用导电银胶与外电路相连接，粘结处用环氧树脂包裹，防止外电路与沉积物直接接触。在一个具体的实施例中，玻璃基层21的规格为12cm×5cm×1cm，石墨板22的规格为5cm×5.5cm×1cm，玻璃板23的规格为5cm×1cm×0.5cm。
阳极5中的石墨板22需经过预处理，即将石墨板22经1N HCl浸泡处理24h，将其中的Fe2+完全浸出后，用纯水冲洗干净，再用1N NaOH再次浸泡后，用纯水清洗干净后待用。
复合型膜电极6如图3所示，由阴极31和质子交换膜32组成，阴极31材质为经预处理后的石墨板，质子交换膜32材质为改良后的全氟磺酸膜，二者通过导电银胶粘合在一起，阴极31的预处理方法与石墨板22相同。质子交换膜32的一面涂有很薄的Pt/C催化层(Pt质量分数为30％，厚度约为0.2mm-0.5mm)，涂有Pt/C催化层的一面贴着沉积物3，没有涂层覆盖的另一面直接与阴极31通过导电银胶相粘结。在一个具体的实施例中，石墨板31的规格为12cm×5cm×1cm，质子交换膜32的外径为Φ20cm，厚0.5mm。
外电路7为涂有环氧树脂的纯铜线，外径0.5mm，其中一端用导电银胶与阳极5相粘合，另一端与外接电阻连接后用导电银胶与复合型膜电极6的阴极31相粘合。两端连接处的银胶外侧用环氧树脂包裹，与沉积物和水体相隔离。
外接电阻8可调节，范围为0-1000Ω。
安培表9范围为0-10mA。
本发明通过在沉积物-水系统中引入生物地球电池反应，能够实现对沉积物中导电微生物的富集，促进了导电微生物在阳极表面的生长。
本发明利用上述装置富集沉积物中导电微生物的方法为：
1)将采集的沉积物在通N2的环境下，用0.5mm孔径的滤筛过滤，将沉积物混合均匀后铺满于阳极室中，高度约为10cm；
2)将阳极埋藏在沉积物表面以下2-3cm中，将复合型膜电极6的质子交换膜32一侧覆盖在沉积物3表面；
3)将复合型膜电极6与阴极室2相连接，向阴极室2中加入水体4，高度为10cm，将复合型膜电极6的阴极31置于水体4中；水体4为所采集沉积物区域中经0.45μm滤膜过滤后的湖水；
4)阳极室1和阴极室2通过固定螺栓14相连接；
5)水体4中安装有曝气头12，通过硅胶管13、过滤头11与氧气瓶10相连接；
6)阳极5通过外电路7、安培表9和外接电阻8与复合型膜电极6相连接，构建成生物地球电池；
7)将整个装置放置在培养箱中于暗处在30℃下培养，开始富集过程；
8)反应周期结束后，将阳极板取出，刮下附着在其表面的微生物，富集到导电微生物絮体。
实施例：
以某东部湖泊为研究对象，通过现场采集沉积物和湖水样品，利用本发明的富集沉积物中导电微生物的装置来将沉积物中导电微生物从沉积物中富集、分离出来，以待下一步的研究和分析。具体方法如下：
1)采用彼得森采泥器从某湖泊采集表层沉积物和湖水，将采集的沉积物用灭菌后的自封袋密封，将二者放入4℃的保温箱后带回实验室进行预处理。
2)将采集的沉积物在通N2的环境下，用0.5mm孔径的滤筛过滤，混合均匀后，取其中一小部分筛下物冷冻干燥后测定其中TN、TP和OM含量(TN、TP和OM均值分别为1893mg/kg、436mg/kg和10.27％)，将采集的湖水用0.45μm滤膜过滤，保存待用。
3)取剩余部分沉积物将其铺满于阳极室1中，高度约为10cm。将阳极5埋藏在沉积物表面以下2-3cm中，将复合型膜电极6与沉积物3、阳极室1相连接，复合型膜电极6的质子交换膜32一侧覆盖在沉积物表面。
4)将复合型膜电极6与阴极室2相连接，石墨板31一侧在阴极室2中，将阳极室2、复合型膜电极6与阴极室1用固定螺栓14相连接。
5)向阴极室2中加入经0.45μm滤膜过滤后的湖水，高度为10cm，在水体4中安装曝气头12，通过硅胶管13、过滤头11与氧气瓶10相连接。
6)将阳极5通过外电路7与安培表9和外接电阻8与复合型膜电极6的阴极相连接，构成生物地球电池。
7)将整个装置放置在培养箱中于暗处在30℃下培养，开始富集过程；
8)在反应周期结束后，将阳极5取出，用灭菌后的特氟龙刀刮下附着在其表面的微生物，富集到导电微生物絮体。
结果：经过30d的培养后，在阳极表面生长着丝状生物膜，厚度为0.5～1mm，其中一部分生物膜生长在两个石墨板之间，将两个石墨板连接起来，有效证明了丝状导电微生物的存在。如图4所示，30d后，电流增加到0.24mA，电流密度增加到43.7mA/m2。表层沉积物由黑色转为淡黄色，表层沉积物中TN、TP、OM含量分别下降到1633mg/kg、413mg/kg和9.28％，说明通过本发明构建的生物地球电池，沉积物中导电微生物能够有效地将沉积物中有机污染物降解。
结论：从上述实施例中可以看出，本发明提供的富集沉积物中导电微生物的装置和方法能够有效地实现对沉积物中导电微生物的富集，促进了导电微生物在阳极表面的生长。

Claims (8)

1.一种富集沉积物中导电微生物的装置，包括：
一填充沉积物的阳极室，置于一盛放水体的阴极室下方；
一阳极，埋藏在阳极室内的沉积物表面以下2-3cm；
阳极的结构为两片石墨板平行地粘贴在一玻璃基层上，且两片石墨板之间由一片玻璃板隔离开；
一复合型膜电极，由阴极和质子交换膜组成，阴极为石墨板，质子交换膜为改良后的全氟磺酸膜，其质子交换膜涂有Pt/C催化层的一面覆盖在沉积物表面，没有Pt/C催化层涂层覆盖的另一面直接与阴极通过导电银胶相粘结；
复合型膜电极的阴极置于阴极室内的水体中；
阳极和阴极之间通过安培表和外接电阻相连接；
阴极室内安装有曝气头，所述曝气头外接氧气。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，阳极室和阴极室通过固定螺栓相连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，复合型膜电极由阴极和质子交换膜无涂层的一面粘合在一起组成。
4.根据权利要求1或3所述的装置，其中，阳极中的石墨板用导电银胶粘贴在玻璃基层上，玻璃板用环氧树脂粘贴在玻璃基层上；
复合型膜电极的阴极和质子交换膜通过导电银胶粘合在一起。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，石墨板用1N HCl浸泡，将Fe2+完全浸出后，用纯水冲洗干净，并重复多次。
6.利用权利要求1所述装置富集沉积物中导电微生物的方法：
采集的沉积物在通N2的条件下填充于阳极室中，阴极室内加入水体；
阳极埋藏在沉积物表面以下2-3cm；
复合型膜电极的质子交换膜涂有Pt/C催化层的一面覆盖在沉积物表面，复合型膜电极的阴极置于水体中，由质子交换膜隔离阳极室的沉积物和阴极室的水体；
曝气头利用外接氧气控制水体的溶解氧含量在8-10mg/L之间；
阳极与复合型膜电极的阴极通过外接电阻和安培表相连接；
将整个装置置于培养箱中于暗处在25-30℃下培养，开始富集过程；
反应周期结束后，将阳极板取出，刮下附着在其表面的微生物，富集到导电微生物的絮体。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，阳极室的沉积物为采集自淡水湖泊并经0.5mm孔径滤筛过滤所得。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，阴极室的水体为所采集沉积物区域中经0.45μm滤膜过滤后的湖水。
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