CN111180742B - 微生物电极及其制备方法和微生物燃料电池 - Google Patents

微生物电极及其制备方法和微生物燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微生物燃料电池领域，公开了一种微生物电极及其制备方法和微生物燃料电池。所述微生物电极包括：电极材料，以及附着于所述电极材料表面的式(1)所示的聚合物和微生物，式(1)中，n为20‑40，X选自F、Cl、Br或I，R3为甲基或乙基。该微生物电极的表面能够形成生物膜结构，具有较高的电子传递效率，能够大大提高微生物燃料电池的产电性能。
Figure DDA0001860355460000011

Description

微生物电极及其制备方法和微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池领域，具体涉及一种微生物电极及其制备方法和微生物燃料电池。
背景技术
随着人口激增和气候变化给地球带来的严峻挑战，能源、水资源、土地利用和废物处理等问题亟待解决。世界各地的人对评估和利用替代能源有着浓厚的兴趣。近年来，微生物燃料电池(MFCs)吸引了众多科研工作者的关注，该技术利用微生物将有机废物降解为小分子并释放电子和质子，从而产生电能。通过利用微生物的生物电化学反应，微生物燃料电池可以直接将化学能转化为电能，为人类能提供清洁的水和绿色能源。产电细菌与电极之间的电子传递主要有以下三种方法：通过结合在外膜的细胞色素c进行直接电子转移(DET)；通过可溶性氧化还原介质进行的间接电子转移(MET)和导电纳米线引起的电子传导。
从能量转换效率方面来看，基于直接电子转移机制的微生物-电极相互作用更有优势。目前应用于MFCs的产电细菌主要是硫还原泥土杆菌和希瓦氏菌。电极材料不仅是电子的给受体，还是是负载微生物的基底，对微生物生物膜的形成、电子转移性能和动力学都有重要影响。但是常用的阳极材料，例如碳纸、碳布、碳刷、碳毡、碳纳米管等碳材料是疏水材料，导致微生物在其表面的粘附量较低；同时微生物和电极之间的电子传递一般只发生在电极表面。因此，科研工作者们发展了许多修饰电极的方法，例如用金属氧化物纳米粒子或者导电聚合物修饰碳材料可以有效的改善细菌粘附性能和生物相容性。Song课题组利用还原型氧化石墨烯(rGO)与希瓦氏菌MR-1自组装形成具有电活性的三维网状生物膜。利用该电极构筑了MFCs，相比不加rGO的对照组，电压输出提高了3.5倍，能量密度提高了22倍，电流密度提高了25倍。但是此方法制备还原性氧化石墨烯需要2天，希瓦氏菌在rGO上粘附形成生物膜需要9天，因此构建MFCs就需要很长时间，在实际应用中费时费力。Zhang课题组发展了一种在细菌表面原位聚合的方法，提高了MFCs的胞外电子转移效率，构建的MFCs的输出功率比未修饰的细菌体系提高了14倍。但是此方法需要对细菌进行前处理，在细菌表面进行聚合反应，操作复杂并且对细菌活性有影响。因此，迫切需要一种生物相容性好，能大量负载微生物，并且具有优异的传递电子能力的电极。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的电极生物相容性差，电子传递效率低的问题，提供了一种微生物电极及其制备方法和微生物燃料电池。该微生物电极的表面能够形成生物膜结构，具有较高的电子传递效率，大大提高了微生物燃料电池的产电性能。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种微生物电极，所述微生物电极包括：电极材料，以及附着于所述电极材料表面的式(1)所示的聚合物和微生物，
Figure BDA0001860355440000021
式(1)中，n为20-40，X选自F、Cl、Br或I，R3为甲基或乙基。
本发明第二方面提供一种制备上述微生物电极的方法，包括：将式(1)所示的聚合物与微生物在电极材料表面进行共培养。
本发明第三方面提供一种微生物燃料电池，所述微生物燃料电池的阳极为本发明所述的微生物电极。
通过上述技术方案，本发明提供微生物电极的表面形成有生物膜结构，具有较高的电子传递效率，能够大大提高微生物燃料电池的产电性能。
附图说明
图1是细菌的生长曲线；
图2是电子显微镜表征生物膜的结果；
图3是生物膜的激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)观察图；
图4是希瓦氏菌与聚合物PMNT作用的荧光显微镜观察图；
图5是微生物与电极之间的交流阻抗曲线；
图6是微生物燃料电池的电池性能测试结果，其中，图6(a)和6(b)表示电流密度随时间的变化曲线，图6(c)和6(d)分别表示微生物燃料电池的极化曲线和能量密度曲线；
图7是加入不同浓度聚合物下微生物的生物膜形成情况。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供一种微生物电极，所述微生物电极包括：电极材料、以及附着于所述电极材料表面的式(1)所示的聚合物和微生物，
Figure BDA0001860355440000041
式(1)中，n为20-40，X选自F、Cl、Br或I，R3为甲基或乙基。
在本发明中，式(1)所示的聚合物简称PMNT，可以根据现有技术中的方法进行制备。优选地，式(1)中，X为Cl、R3为乙基。
在本发明中，所述微生物为产电微生物，特别是产电细菌。产电微生物能够氧化基质释放电子，然后通过电子传递链将电子传递给最终电子受体(电极)，在产生电能的同时获取生长所需的能量。优选地，所述微生物选自希瓦氏菌(Shewanellabaltica)和/或金属还原泥土杆菌(Bacillus metalloticus)。
优选地，所述聚合物和所述微生物通过静电作用结合。
本发明的发明人在研究中发现，所述微生物的表面的主要成分为多糖、蛋白质、类脂等，带有负电荷，而式(1)所示的聚合物带有正电荷，两者之间能够紧密结合，形成聚合物和微生物复合体。式(1)所示的聚合物的侧链带有疏水基团，侧链能够通过疏水作用嵌插到细胞膜内，拉近式(1)所示的聚合物与细胞色素c之间的距离，有助于将电子传递到产电微生物外，从而提高微生物与电极之间的电子传递速率。
优选地，所述电极材料选自金属电极或碳材料电极。更优选地，所述电极材料为碳材料电极。特别优选地，所述电极材料为碳纸。
本发明第二方面提供一种制备如上所述的微生物电极的方法，包括：将式(1)所示的聚合物与微生物在电极材料表面进行共培养。所述聚合物与微生物可以以独立的方式进行共培养，从而使聚合物与微生物附着在电极材料表面；也可以先形成聚合物和微生物的复合体，再使得该复合体附着于电极材料表面。
在本发明中，式(1)所示聚合物通过静电作用和疏水作用与所述微生物结合，形成的聚合物和微生物的复合体增加了微生物之间的相互作用，形成的聚集体更倾向于不可逆的粘附在基底(电极材料)表面，形成微菌落，为生物膜的形成奠定了基础。因此式(1)所示的聚合物能有效促进所述微生物(如产电细菌)在电极表面形成生物膜。
在本发明中，形成生物膜的能力可以通过结晶紫染色法进行表征。所述结晶紫染色法可以为本领域的常规选择。所述结晶紫是一种三苯甲烷类染料。电离后，该分子的染色部分带正电荷，可与带负电荷的分子，包括细菌细胞膜表面的分子以及成熟生物膜分泌的胞外基质中的多糖、核酸、蛋白质等结合，使生物膜染色，所以可以用来定量生物膜。
为进一步增大微生物在电极表面的负载量、提高微生物在电极表面存活率、提高电子传递效率，进而提高微生物燃料电池产电性能。优选地，所述共培养的条件为：温度为20-30℃，需氧条件，时间为18-30h。
根据本发明一种具体的实施方式，所述共培养的方式为：将电极材料浸泡于含有所述聚合物和所述微生物的培养体系中，从而在电极材料表面形成具有聚合物和微生物复合体的生物膜。
优选地，所述培养体系中，所述聚合物的浓度为10-100μM，其中，所述聚合物的浓度以单体计。
更优选地，所述培养体系中，所述聚合物的浓度为20-50μM，发明人在研究中发现，将所述聚合物的浓度控制在此范围内，能够进一步提高微生物在电极表面形成生物膜的能力，进而提高电子传递效率，提高微生物燃料电池的产电性能。
在本发明中，利用微生物的吸光来表示微生物的浓度，例如，微生物培养液在600nm处的吸光值，简称OD600值，用来表示微生物在培养液中的浓度。
优选地，所述培养体系的OD600值为OD600值是1的微生物培养物被稀释100-1000倍后的OD600值。
通过上述具体实施方式进行共培养，得到本发明所述的微生物电极，优选地，在共培养结束后，用磷酸缓冲盐溶液(PBS)进行洗涤。得到的微生物电极可以直接用于构筑微生物燃料电池。
根据本发明另一种具体的实施方式，所述共培养的方式为：先将所述聚合物和所述微生物培养得到聚合物和微生物的复合体的培养体系，然后将其分散到电解液中与电极材料进行接触。
优选地，所述培养体系中，所述聚合物的浓度为10-100μM，其中，所述聚合物的浓度以单体计。
更优选地，所述培养体系中，所述聚合物的浓度为20-50μM，发明人在研究中发现，将所述聚合物的浓度控制在此范围内，能够进一步提高微生物在电极表面形成生物膜的能力，进而提高电子传递效率，提高微生物燃料电池的产电性能。
优选地，所述培养体系的OD600值为1。
根据上述具体实施方式，能够直接在微生物燃料电池中制备得到本发明所述的微生物电极。
本发明第三方面提供一种微生物燃料电池，所述微生物燃料电池的阳极为本发明所述的微生物电极。
本发明中，所述微生物燃料电池可以采用现有技术中常用的方法进行构筑。例如，所述微生物燃料电池的阴极可以为碳材料电极。阳极电解液可以为M9缓冲液(22mM磷酸二氢钾，42mM磷酸氢二钠，85.5mM氯化钠和1mM硫酸镁)，LB培养基和DL-乳酸钠(60％w/w水溶液)。阴极电解液可以为铁氰化钾的PBS溶液。
制备微生物燃料电池的方法包括：采用双室反应器，双室之间用质子交换膜分隔，阳极和阴极分别为铂电极夹固定的碳纸。阳极室和阴极室分别注入阳极电解液和阴极电解液。将微生物和式(1)所示的所述聚合物进行培养，然后重新分散到阳极电解液中。得到所述微生物燃料电池。
或者，直接将阳极替换为本发明所述的微生物电极。
通过上述技术方案，本发明将式(1)所示的聚合物与产电微生物在电极表面共培养得到微生物电极，利用此微生物电极构筑微生物燃料电池。式(1)所示的聚合物能够增大微生物在电极表面的负载量、提高微生物在电极表面存活率、提高电子传递效率，进而提高微生物燃料电池产电性能。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，
希瓦氏菌MR-1购自中国海洋微生物菌种保藏管理中心，菌株编号为1A01706。
LB液体培养基配方：10g/L胰蛋白胨，5g/L酵母提取物，10g/L NaCl。
LB固体培养基组成：10g/L胰蛋白胨，5g/L酵母提取物，10g/L NaCl，15-20g/L琼脂粉。
碳纸、铂盘电极和饱和Ag/AgCl电极购自上海楚兮实业有限公司。
磷酸缓冲盐溶液(PBS)购自Hyclone公司。
BacLight死活菌染色试剂盒购自分子探针公司。
结晶紫购自Sigma公司。
PMNT和PT的浓度均以单体的浓度计。
制备例1
PMNT的制备，反应过程如下：
Figure BDA0001860355440000081
(1)3-甲基-4-(3-(N,N-二乙基氨基)丙氧基)噻吩的合成：氮气保护下，在0℃下依次加入15mL无水1,2-二甲基乙二醚(DME)、N,N-二乙氨基-1-丙醇(524mg,4.0mmol)、氢化钠(96mg,4.0mmol)，然后将反应液升至室温(25℃)，反应20min后加入3-溴-4-甲基噻吩(531mg,3mmol)的DME溶液6mL，碘化亚铜(287mg,1.5mmol)，升至105℃，反应12h。将反应液冷却至室温，加入二氯甲烷稀释，过滤，水洗三次，有机相用无水硫酸镁干燥，浓缩得粗品，用硅胶柱层析、洗脱剂为CH2Cl2/CH3OH(30:1)纯化粗品，干燥得产物(328mg，收率48％)。
核磁数据为：1H NMR(400MHz,CDCl3):δ＝6.80(s,1H),6.14(s,1H),3.98(t,J＝6.0Hz,2H),2.62(t,J＝7.2Hz,2H),2.55(m,J＝7.2Hz,4H),2.09(s,3H),1.93(m,2H),1.04(t,J＝7.2Hz,6H)；13C NMR(100MHz,CDCl3)δ＝156.1,129.1,119.7,96.0,68.2,49.3,47.0,26.7,12.7,11.6。
(2)3-甲基-4-(3-(N,N,N-三乙基铵基)丙氧基)噻吩的合成：在反应瓶中依次加入20mL乙腈、3-甲基-4-(3-(N,N-二乙基氨基)丙氧基)噻吩(114mg,0.5mmol)、1.9mL溴乙烷，氮气保护下，升温至70℃反应3天。反应液冷却至室温，将溶剂减压除去，加入少许氯仿溶解，然后经乙酸乙脂重结晶，将晶体过滤，洗涤，干燥后得产物(164mg，收率98％)。
核磁数据为：1H NMR(400MHz,CDCl3):δ＝6.84(d,J＝2Hz,1H),6.22(d,J＝3.2H,1H),4.12(t,J＝5.2Hz,2H),3.60(t,J＝7.2Hz,8H),2.38(m,2H),2.05(s,3H),1.43(t,J＝7.2Hz,9H)；13C NMR(75MHz,CDCl3)δ＝153.6,132.1,127.1,119.3,96.1,64.6,53.6,52.5,21.5,11.6,6.8。
(3)PMNT的合成：在反应瓶中依次加入10mL氯仿，无水三氯化铁(194mg,1.2mmol)，通半小时N2，然后滴加3-甲基-4-(3-(N,N,N-三乙基铵基)丙氧基)噻吩(101mg,0.3mmol)的氯仿溶液，室温反应两天。减压除去氯仿，抽滤，甲醇洗涤3次，得到的固体用丙酮溶解，然后加入过量的氯化四丁基铵，生成红色沉淀。将沉淀过滤，滤饼再用甲醇溶解，加5-6滴水合肼，将Fe3+脱保护，溶液旋干，得到的固体加少量氯化四丁基铵饱和丙酮溶液洗涤，用丙酮索氏提取6h，真空干燥，得产物48mg，产率47％。通过GPC方法测得数均分子量为10448，n＝36。
核磁数据为：1H NMR(400MHz,D2O):δ＝4.04(br),3.19(br),2.27(br),1.62(s),1.32(br),0.92(t)。
制备例2
PT的制备，反应过程如下：
Figure BDA0001860355440000091
(1)3-(2-(6-溴己氧基)乙基)噻吩的合成：向100mL单口瓶中依次加入2-(3-噻吩)乙醇(663μL,6mmol)、氢化钠(206mg,6mmol)、50mL无水DMF(二甲基甲酰胺)，氮气气氛下，将反应液在室温(25℃)下搅拌30min；然后加入1，6-二溴己烷(4.6mL,10mmol)继续搅拌过夜，反应停止后倒入水中，并用二氯甲烷萃取，合并有机相，用蒸馏水洗涤，无水硫酸镁干燥，过滤，浓缩；粗产物硅胶柱层析分离纯化，展开剂为石油醚/乙酸乙酯(40/1,v/v)，得到白色粉末(0.54g，31％)。
核磁数据为：1H NMR(400MHz,CDCl3)7.37(m,1H),7.15-7.10(m,2H),3.76(t,2H),3.57(t,2H),3.53(t,2H),3.04(t,2H),1.99(m,2H),1.72(m,2H),1.61-1.45(m,4H)，13CNMR(75MHz,CDCl3)139.46,128.53,125.14,121.04,71.03,70.77,33.82,32.79,30.83,29.57,28.01,25.43,HREI-MS Calcd.for C12H19BrOS m/z Acc.Mass 290.0340,292.0320；Obs.Mass 290.0342,292.0316.
(2)化合物3-(2-(6-溴化三甲胺基己氧基)乙基)噻吩的合成：将3-(2-(6-溴己氧基)乙基)噻吩(291mg,1mmol)溶于0.5mL四氢呋喃中，加入3mL 33％三甲胺的甲醇溶液，反应液升温至40℃反应过夜；反应停止并冷却至室温后除去溶剂和过量的三甲胺，剩余固体溶解在1.0mL甲醇中，加入10mL正己烷沉淀出固体，离心得沉淀，真空干燥后得到白色固体(310mg,89％)。
核磁数据为：1HNMR(400MHz,CDCl3)7.27(m,1H)；7.02-6.98(m,2H),3.65-3.56(m,4H),3.47(m,11H),2.91(t,2H,6.78),1.75(br,2H),1.58(br,2H),1.42(br,4H),13C NMR(75MHz,CDCl3)139.34；128.48,125.10,120.96,70.79,70.37,66.64,53.27,30.61,29.25,25.81,25.76,23.02.ESI-MS:m/z＝270.2；Anal.Calcd for C15H28BrNOS:C 51.42,H 8.06,N 4.00；Found C 51.11,H 7.95,N 4.12.
(3)PT的合成：在反应瓶中依次加入8mL氯仿和无水三氯化铁(65mg,0.4mmol)，通N2半小时，然后滴加化合物3-(2-(6-溴化三甲胺基己氧基)乙基)噻吩(35mg,0.1mmol)的10mL氯仿溶液，室温反应2天。向反应混合液中加入甲醇，抽滤，滤饼用甲醇洗涤，二甲基亚砜/水(1/10,v/v)溶解得到的固体，利用截留分子量为3500Da的透析袋透析；除去溶剂，干燥得到16mg黄色固体。通过GPC方法测得数均分子量为10095，n＝29。
核磁数据为：1H NMR(400MHz,DMSO-d6,ppm):7.75-7.31(br),3.32(br),3.08-2.51(br),1.52-1.25(br).
实施例1
(1)细菌的复苏培养
以希瓦氏菌MR-1为模板，在超净工作台中用75体积％酒精脱脂棉对所购装有希瓦氏菌MR-1的安培瓶外表面进行消毒后，用火焰加热其顶端，滴加约350μL无菌水至加热的安瓿瓶顶端使之破裂。吸取约400μL LB液体培养基，滴入安瓿瓶内，轻轻振荡吹打，使冻干菌体溶解呈悬浮状，吸取全部菌悬液，分别移植于两个LB固体培养基中，25℃培养24h。用接种环刮取适量菌体画Z型接种到新的LB固体培养基中，25℃继续培养，如此连续传3代培养，获得稳定的菌株，放置于4℃下作菌种备用。
(2)细菌生长曲线的测定
挑取固体培养基中适量菌体于LB液体培养基中，25℃下转速180rpm震荡培养至OD600值为1。取少量菌液用LB液体培养基稀释1000倍后，加入制备例1中得到的PMNT使其浓度为20μM，25℃下转速180rpm震荡培养，每隔30分钟测其OD600值，如图1所示。
从图1中可得出，PMNT的加入对希瓦氏菌的生长没有影响。
实施例2
(1)微生物电极的制备
将过夜培养的希瓦氏菌MR-1用磷酸缓冲盐溶液(PBS)洗涤两次后，调节OD600至1。用LB液体培养基稀释100倍，取500μL菌液置于含有碳纸的24孔板中，加入PMNT使其浓度为20μM，25℃静置培养24h。将培养基吸出，每孔加入500μL PBS，静置2min后吸出，如此洗涤两次。得到希瓦氏菌-PMNT电极。
(2)扫描电子显微镜(SEM)表征生物膜
加入0.1体积％戊二醛的PBS溶液，4℃下过夜。样品用灭菌水洗涤两次后，依次用20体积％、40体积％、50体积％、70体积％、90体积％和100体积％乙醇梯度脱水，每次静置6min。待样品自然干燥后，对样品进行喷金处理，进行SEM实验，结果如图2所示。
(3)生物膜的激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)观察图
用BacLight死活菌染色试剂盒进行染色，并进行激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)表征，对于SYTO9激发波长为488nm，PI为559nm，采集样品的明场和荧光场，结果如图3所示。
(4)希瓦氏菌与聚合物PMNT作用的荧光显微镜观察图
挑取固体培养基中适量菌体于液体培养基中，25℃下转速180rpm震荡培养5-10h。用PBS洗两次，调OD600值为1.0。取少量(约10μL)菌液用培养基稀释100倍后，加入PMNT使其浓度为20μM，在25℃下放置30分钟，进行离心分离，弃掉上清液，用PBS洗涤一次后，取10μL混合液于荧光显微镜下观察，结果如图4所示。
(5)微生物与电极之间的交流阻抗
电化学测试采用标准三电极体系，以50mL密封电解池作为电解池，以上述微生物电极为工作电极，铂盘电极为对电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，电化学缓冲液为电解质溶液。扫描电位为稳定条件下的开路电位，扫描频率为10KHz～0.1Hz，振幅为5mV，测试结果如图5所示。
实施例3
微生物燃料电池的电池性能测试
采用H-型双室反应器，阳极室和阴极室均为直径5cm，高8cm的圆柱形腔室，容积为100mL，双室之间用质子交换膜(Nafion膜)分隔。阳极和阴极电极均为铂电极夹固定的东丽碳纸，有效面积为3cm2。向30mL OD600为1的希瓦氏菌MR-1悬浮液加入PMNT，使PMNT的浓度为20μM，25℃静置培养30min。10000rpm离心5min，将沉淀用PBS洗两遍，重新分散到60mL阳极电解液中。阳极电解液为57mL M9缓冲液(22mM磷酸二氢钾，42mM磷酸氢二钠，85.5mM氯化钠和1mM硫酸镁)，3mL LB液体培养基和200μL DL-乳酸钠(60重量％水溶液)。阴极电解液为60mL 50mM铁氰化钾的PBS溶液。向阳极室中通入氮气20min，排除氧气后密封保持无氧氛围。阴极和阳极间连接1000Ω外电阻，启动微生物燃料电池，每4h记录一次电阻两端电压。当电压迅速下降时表明阳极电解液中的乳酸消耗殆尽，更新阳极电解液并继续测试，循环三个周期，得到电压-时间曲线。当电压达到稳定期后，通过改变外电阻(400KΩ～100Ω)，分别测量不同电阻值下的电压。利用公式I＝U/R和P＝IU，计算得出电池的极化曲线和能量密度曲线，如图6所示。
实施例4
将过夜培养的希瓦氏菌MR-1用磷酸缓冲盐溶液(PBS)洗涤两次后，用PBS调节OD600至1。用LB液体培养基稀释100倍，取500μL菌液置于24孔板中，加入PMNT使其浓度为20μM，25℃静置培养24h。
取出24孔板，弃去培养基，并用PBS洗三次除去游离的细菌。加入100μL的0.1质量体积％结晶紫染色5分钟，除去结晶紫，用灭菌水洗三次。加入110μL的10体积％乙酸溶解结晶紫，检测每孔590nm处吸收值，取其平均值，结果如图7所示。
实施例5
按照实施例4的方法进行实验，不同的是，加入PMNT使其浓度为50μM，实验结果如图7所示。
实施例6
按照实施例4的方法进行实验，不同的是，加入PMNT使其浓度为10μM，实验结果如图7所示。
对比例1-6
分别按照实施例1-6的方法进行实验，不同的是，实验过程中不加入PMNT，得到裸菌电极，并对裸菌电极进行测试，实验结果如图1-7所示。
对比例7-11
分别按照实施例2-6的方法进行实验，不同的是，将PMNT替换为PT，得到希瓦氏菌-PT电极，并对希瓦氏菌-PT电极进行测试，试验结果如图2-3和图5-7所示。
从图1中可以看出，PMNT对希瓦氏菌的生长并没有影响。
从图2中可以看出，裸菌电极表面可以观察到零星的希瓦氏菌。加入PMNT后，希瓦氏菌-PMNT电极表面的细菌负载量有很大程度的提高，明显发现每根碳纤维上都负载了很多菌，这个现象可以归因于PMNT具有很好的生物相容性并且有促进细菌粘附形成生物膜的能力。在高放大倍数下，可以发现相比于空白碳纸上的细菌，加入PMNT后的细菌形态更饱满，活性更高，而且表面形成了生物膜结构。加入PT后，碳纸上细菌负载量有提高，但是仍然没有PMNT负载量大。
从图3中可以看出，在裸菌电极的CLSM图中，可以观察到少量绿色荧光和较多的红色荧光，表明碳纸上只有很少的细菌粘附，并且大部分细菌已经死亡。在希瓦氏菌-PMNT电极的CLSM图中，能够观察到大量绿色荧光，只有零星红色，说明细菌在碳纸上的粘附量增大，并且细菌存活率有明显提高。这是由于加入PMNT后，PMNT通过静电作用结合到细菌表面，加快了细菌表面的电子传递，同时细菌消耗乳酸能力增强，可以为细菌生长提供更多的能量，因此细菌可以维持高活性，显示绿色。虽然相比于裸菌电极，希瓦氏菌-PT电极上细菌的负载量有所增加，但与PMNT相比，效率仍然不高，而且细菌存活率仍低于希瓦氏菌-PMNT电极。
从图4可以看出，在荧光显微镜下可以看到明场的希瓦氏菌与PMNT形成很好的复合体，其中PMNT的荧光位置与复合体完全重合，说明PMNT可以与希瓦氏菌相互作用。
从图5中可以看出，加入聚合物的电极的交流阻抗曲线与裸菌电极有相似的结构，为Nyquist曲线：一个半圆和一条直线，其中半圆的直径可以代表电极与细菌之间电子转移的阻抗。通过对加入聚合物前后电极的Nyquist曲线进行拟合计算，得出希瓦氏菌-PMNT电极的阻抗(Rct)值为4.1Ω，裸菌电极的Rct值为84.4Ω，希瓦氏菌-PT电极的Rct值为15.3Ω。Rct值越小，表明电极与细菌之间的电子传递速率越快，因此，加入PMNT后，电极与细菌之间的胞外电子传递效率更高，而加入PT对电极与细菌之间的胞外电子传递效率的影响较小。
图6(a)和6(b)表示电流密度随时间的变化曲线，在连接1000Ω电阻条件下，裸菌电极的最大输出电流密度约为24mA/cm2，希瓦氏菌-PMNT电极的最大输出电流密度约为50mA/cm2，希瓦氏菌-PT电极的最大输出电流密度约为31.78mA/cm2。表明PMNT的加入增强了电池的性能，而PT对电池的性能影响较小。之后对裸菌电极和希瓦氏菌/PMNT电极的电流密度进行了长时间的监测，从图6(b)中可以看出，裸菌电极在100h内电流密度降低至零附近，希瓦氏菌-PMNT电极的电流密度在250h时仍维持较高的电流密度值。经过三个循环后，裸菌电极的电流密度维持在零附近，表明细菌已经死亡，希瓦氏菌-PMNT电极仍然有较高的电流密度值。以上结果表明，希瓦氏菌-PMNT电极可以提高电池的产电性能，同时还可以维持稳定的电流输出。
图6(c)和6(d)表示微生物燃料电池的极化曲线和能量密度曲线。从图中可以看出，裸菌电极的最大功率密度为3.46μW/cm2，希瓦氏菌-PT电极的最大功率密度为5.63μW/cm2，希瓦氏菌-PMNT电极的最大功率密度为7.15μW/cm2。同时，希瓦氏菌-PMNT电极的最大电流远大于裸菌电极，且大于希瓦氏菌-PT电极，说明PMNT的加入大大增强了MFCs的产电性能。
从图7可以看出，加入不同浓度的PMNT和PT会对希瓦氏菌生物膜形成能力产生影响。与浓度为10μM的PMNT相比，PMNT的浓度为20μM和50μM时，希瓦氏菌的生物膜形成能力有进一步的提高。而PT的浓度为20μM和50μM时，希瓦氏菌的生物膜形成能力提高非常有限，甚至在PT的浓度为10μM时，希瓦氏菌的生物膜形成能力有所降低，表明PT的加入对生物膜的形成能力影响较小，甚至会带来不利影响。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种微生物电极，其特征在于，所述微生物电极包括：电极材料，以及附着于所述电极材料表面的式(1)所示的聚合物和微生物，
Figure FDA0002997416460000011
式(1)中，n为20-40，X选自F、Cl、Br或I，R3为甲基或乙基；
所述微生物选自希瓦氏菌(Shewanella baltica)和/或金属还原泥土杆菌(Bacillusmetalloticus)；
其中，所述微生物电极通过以下方法制备得到：将式(1)所示的聚合物与微生物在电极材料表面进行共培养。
2.根据权利要求1所述的微生物电极，其中，所述聚合物和所述微生物通过静电作用结合。
3.根据权利要求1所述的微生物电极，其中，所述电极材料选自金属电极或碳材料电极。
4.一种制备权利要求1-3中任意一项所述的微生物电极的方法，其特征在于，该方法包括：将式(1)所示的聚合物与微生物在电极材料表面进行共培养。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述共培养的条件为：温度为20-30℃，需氧条件，时间为18-30h。
6.根据权利要求4所述的方法，所述共培养的方式为：将电极材料浸泡于含有所述聚合物和所述微生物的培养体系中，从而在电极材料表面形成具有聚合物和微生物复合体的生物膜。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述培养体系中，所述聚合物的浓度为10-100μM，其中，所述聚合物的浓度以单体计。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述培养体系中，所述聚合物的浓度为20-50μM，其中，所述聚合物的浓度以单体计。
9.根据权利要求6-8中任意一项所述的方法，其中，所述培养体系的OD600值为OD600值是1的微生物培养物被稀释100-1000倍后的OD600值。
10.根据权利要求4所述的方法，所述共培养的方式为：先将所述聚合物和所述微生物培养得到聚合物和微生物的复合体的培养体系，然后将其分散到电解液中与电极材料进行接触。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述培养体系中，所述聚合物的浓度为10-100μM，其中，所述聚合物的浓度以单体计。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述培养体系中，所述聚合物的浓度为20-50μM，其中，所述聚合物的浓度以单体计。
13.根据权利要求10-12中任意一项所述的方法，其中，所述培养体系的OD600值为1。
14.一种微生物燃料电池，所述微生物燃料电池的阳极为权利要求1-3中任意一项所述的微生物电极。
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