CN111430764A - 一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统及其制备方法与应用 - Google Patents

一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统及其制备方法与应用 Download PDF

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余应新
陈浩佳
高源�
李向南
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Abstract

本发明公开了一种假单胞菌‑阳极光合太阳能燃料电池系统及其制备方法与应用，所述燃料电池包括阳极光合太阳能燃料电池、假单胞菌属微生物和电阻，所述阳极光合太阳能燃料电池为单室结构，包括土壤、水体、绿色水生植物和两个电极，所述绿色水生植物的根部穿过水体置于土壤内部，其中一个电极平铺在土壤内部作为阳极，另一个电极平铺在土壤与水体的交界面作为阴极，所述绿色水生植物的根部添加假单胞菌属微生物，所述电阻的两端分别与阳极、阴极相连。所述燃料电池利用电化学活性微生物的催化作用将有机物、无机物中所含的化学能转化为电能，且具有能量转化效率高、反应条件温和、清洁无污染等优势。

Description

一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统及其制备方法 与应用
技术领域
本发明涉及植物-微生物燃料电池领域，尤其是一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统及其制备方法与应用。
背景技术
微生物燃料电池是一种通过微生物作为催化剂，使有机物或无机物中化学能直接转化为电能的新型装置。其基本原理为：阳极区域的微生物通过底物代谢活动产生电子，电子从阳极通过导线和外电阻。
产电和污染物降解是微生物燃料电池(MFCs)的两个基本功能，也是微生物燃料电池(MFCs)作为一种新型的环境治理和能源技术最具吸引力的优势。大量研究已表明：相对于一般厌氧生物降解技术，微生物燃料电池(MFCs)具有更高效的废弃物、废水、或污染物降解的能力。
阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)是在沉积物微生物燃料电池(Sedimentmicrobial fuel cell，SMFC)的基础上发展起来的。饱水的土壤或沉积物中，由于土壤、沉积物内部含有丰富的有机质，顶部具有氧化态的溶解氧等，在系统内部和表面设置阳极和阴极电极，用导线连接，使其满足微生物燃料电池(MFCs)构建条件，即能够产生稳定的电流，被称为沉积物微生物燃料电池(Sediment microbial fuel cell，SMFC)。
阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)系统运行时阳极的微生物群落对整个系统起着至关重要的作用，其能够利用根际环境的有机物直接或间接地将电子传递至阳极。
目前阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)已具有以下几个方面的应用：
(1)水处理：从简单的小分子有机酸到复杂的木质纤维素都可作为底物被阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)利用，因此，可处理各类废水，包括有机废水(生活污水、造纸废水、淀粉加工废水等)、无机废水、难降解的废水等；
(2)电源供应：阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)的最基本特征是产生电能，虽然目前的产电规模还未能达到商业利用，但足够用作传感器等耗电较低的仪器电源，可为偏远地区和极端环境下的远程环境监测提供电源供应；
(3)传感器应用：根据阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)与溶液中物质的种类、浓度、有毒离子等的关系，可用作底物含量的测定、制作各种生物传感器，如BOD传感器、毒性传感器等]；
(4)土壤原位修复：生物修复通过电化学活性微生物将有害物质分解、脱毒，采用这种简单易行、环境友好和低成本的方法替代物理化学治理已得到普遍认可。
阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)系统的环境修复功能多集中在废水处理方面，且多采用电化学活性微生物、特征污染物降解菌等单一菌种接种，尽管取得了不错的降解、产电效能，但其在真实环境中应用的可能性较低。自然环境下，单一菌种的失活率较高，可操作性低。且在复合污染下，微生物菌落的复杂程度及其产电、降解机理是研究中需要剖析的重点，探讨在自然状态下，系统的功能性和长效性才是研究阳极光合太阳能燃料电池(APSFCs)系统推广和应用的必经之路。针对此类缺点，若能够采用混合菌种，或自然接种更加有利于系统的推广。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明的第一个目的在于提供一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统。
本发明的第二个目的在于提供一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统的应用，本燃料电池通过外加假单胞菌种的方式来提高土壤中电化学活性微生物丰富度，进而提高对周围环境污染物降解的能力。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统，包括阳极光合太阳能燃料电池、假单胞菌属微生物和电阻，所述阳极光合太阳能燃料电池为单室结构，包括土壤、水体、绿色水生植物和两个电极，所述绿色水生植物的根部穿过水体置于土壤内部，其中一个电极平铺在土壤内部作为阳极，另一个电极平铺在土壤与水体的交界面作为阴极，所述绿色水生植物的根部添加假单胞菌属微生物，所述电阻的两端分别与阳极、阴极相连。
优选地，所述假单胞菌属微生物为铜绿假单菌。
优选地，所述铜绿假单菌的菌种浓度为2×105～5×105cfu/L。
优选地，所述铜绿假单菌的菌种浓度为2×105cfu/L。
本发明中，所选用外加电化学活性微生物假单胞菌属(Pseudomonas sp)，该菌属为直或稍弯的革兰氏阴性杆菌，是无核细菌，以极生鞭毛运动，不形成芽孢，化能有机营养，严格好氧，呼吸代谢，从不发酵。模式属为假单胞菌属。此属有29种。其中至少有3种对动物或人类致病。多分布于土壤和水中及各种植物体，有极强分解有机物的能力，可以将多种有机物作为能量来源。其生物学特性主要有4℃不生长，而42℃生长。在血琼脂、麦康凯培养基上均可形成5种不同形态的菌落，在普通培养基上可产生多种色素。
本发明设计中铜绿假单菌种最早被报道能够自身产生电子介体的微生物，是常见的电化学活性微生物。铜绿假单菌种也有很强的环境适应能力，也能够在高浓度有机污染条件下对其污染物进行污染降解。其培养特性：专性需氧，最适温度为35℃，但在42℃生长是铜绿假单胞菌的一个特点。营养无特殊需求，普通培养基上均能生长，菌落大小不一，扁平湿润，边缘不齐，可产生各种水溶性色素，故使培养基变为蓝绿色。在营养肉汤培养基中呈均匀混浊生长，常在其表面形成菌膜。
优选地，所述水生植物为香蒲水生植物，香蒲在阳极光合太阳能燃料电池系统中较其他种植物较优，产电性能好，且适合污染程度高的土壤。
优选地，所述阴电极为采用生物质多孔碳或石墨烯对泡沫镍电极进行阴极改性处理，所述阴极材料为多孔碳/泡沫镍或石墨烯/泡沫镍中的一种。
优选地，所述阴电极材料为多孔碳/泡沫镍。
优选地，所述阴极设置大小10～15×10～15cm，置于水土分界面，使之易能接触空气中的氧气。
优选地，所述阳极大小为10～20×10～20cm，埋深于约8～12cm绿色水生植物根系附近使其根系可充分与阳极电极接触；阴极与阳极之间的距离为8～15cm。
优选地，所述阳极采用生物质多孔碳或石墨烯对泡沫镍电极进行阳极改性处理，所述阳极材料为多孔碳/泡沫镍或石墨烯/泡沫镍中的一种。
优选地，所述阳电极材料为多孔碳/泡沫镍。
优选地，所述生物质多孔碳的比表面积为2500～3500m2/g、比电容为250～300F/g。
作为优选地一种方案，所述生物质多孔碳的比表面积为3096m2/g、比电容为268.49F/g。
优选地，所述假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池外接数据采集器，采集检测系统数据，所述数据采集器两端分别与阴极和阳极相连。
优选地，所述数据采集装置的型号为Aligent 34970A，US。在实验过程中，常用数字万用表(UNI-T UT58A，中国)对数据采集器采集的电压数据进行校准，以确保数据的可靠性。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统的制备方法，包括如下步骤：
(1)基质制作：取河畔湿地的泥土经风干后，研碎过筛得到栽培植物用的基质；
(2)植物材料与繁殖培养：选取绿色水生植物，将其置于盛有沙土的容器中培养；
(3)构建含微生物的单室电池阳极：以不透光、不导电的容器为反应器，采用生物质多孔碳或石墨烯对泡沫镍电极进行阳极改性处理，制备多孔碳/泡沫镍阳极或者石墨烯/泡沫镍阳极,所述假单胞菌属微生物置于阳极植物根系处；
(4)阴极选材及改性：以泡沫镍作为3D支架，采用多孔碳或石墨烯进行改性处理，制备多孔碳/泡沫镍电极片或石墨烯/泡沫镍电极片作为阴极；
(5)阴阳两极的构建方式：将绿色水生植物植于生长箱中，根据根系长度采用对称结构放置系统阴阳极，其中阳极埋深于水生植物根系附近，阴极置于水土分界面，使之易能接触空气中的氧气；
(6)纪录电压值：通过数据采集器测定阴极电位，阴极区pH值和溶解氧浓度，测定根系泌氧率，计算根系孔隙度，计算阳极电位值。
本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统的应用。
优选地，所述假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统在治理土壤污染中的应用。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
(1)、本发明设计的假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)可以应用于对污染水土的处理，实现对有机物燃料能量吸收的同时又净化水土，达到环境和能源的双重利用。
(2)、本发明设计的假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)利用电化学活性微生物的催化作用将有机物、无机物中所含的化学能转化为电能，且具有能量转化效率高、反应条件温和、清洁无污染等优势。
(3)本发明设计中所述假单胞菌科(Pseudomonadaceae)是最为常见的电化学活性微生物。其中假单胞菌科(Pseudomonadaceae)能分泌电子介体(如绿脓菌素)，加速电子由细胞表面到阳极表面的传递，阳极表面的其它微生物能够利用其分泌的电子介体，进行微生物间的电子传递，增大微生物燃料电池(MFCs)的输出功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明方法装置系统示意图，其中，1-阳极、2-阴极、3-绿色水生植物、4-电阻、5-数据采集器、6-水体和7-土壤；
图2为阳极微生物群落稀释性曲线(a：稀释性曲线)；
图3为阳极微生物群落稀释性曲线(b：香农曲线)；
图4为相对丰度最高的30种属热图；
图5为阳极优势门类相对丰度；
图6为系统运行期间的输出电压(a:C组；b：N组；c：R组)；
图7为不同阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)系统极化曲线(a:C组)；
图8为不同阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)系统极化曲线(b:N组)；
图9为不同阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)系统极化曲线(c：R组)；
图10为不同阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)系统功率密度曲线(a:C组)；
图11为不同阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)系统功率密度曲线(b：N组)；
图12为不同阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)系统功率密度曲线(c：R组)。
图13为假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)系统对CK1和空白无染毒功率密度曲线
图14为假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)系统对CK1和空白无染毒输出电压
图15为假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统(APSFCs)系统对R1和空白无染毒输出电压
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一、对不同污染情况下阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统阳极微生物相对丰度测试
本实施例具体实施方式在于通过对不同污染情况下阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统运行情况，阳极微生物群落进行检测分析，找出含量占比较多，贡献较大的电化学活性微生物。从而筛选出性能较强的电化学活性微生物菌种，验证本发明所外加菌种的可靠性，本实施例所述阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统制备方式见同日申请发明专利“一种阳极光合太阳能燃料电池系统”。
对不同污染情况进行分组实验，总的实验分组情况如下表1：
表1实验分组表(mg/kg)
Figure BDA0002434628210000061
阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统运行50d后，为区别分析，特选择不同污染暴露组高、低浓度2个实验组，共计8组(CK1、CK2、N1、N4、C1、C4、R1、R4)进行检测。采用16SrDNA V4～V5区的Illumina测序技术，8个样品共得到498496个序列，所得序列去除嵌合体和单一序列后有约97％的(487186有效)序列被保留，本次测序已捕捉到大部分微生物物种信息，较真实体现阳极微生物群落构成情况，具体情况见表2。
样品中物种丰富度是指达到饱和测序时获得的最大物种数量，常用Chao1指数表示；Shannon指数和Simpson优势度指数代表微生物群落的多样性，Shannon指数值越大，表示微生物群落多样性越高；而Simpson指数值越大，表示微生物群落多样性越低。
表2 APFSCs阳极微生物群落多样性指数分析(97％相似性水平)
Figure BDA0002434628210000062
Figure BDA0002434628210000071
由表2可见，在97％相似性水平比对下，香蒲种植下未染毒实验组CK1的多样性指数均表现出最高的物种丰富度与多样性，Chao1(4510)、Shannon(8.34)、Simpson(0.013)。在不同污染胁迫下微生物群落多样性有显著区别，其中高浓度复合污染胁迫(Cr+NO3-N)R4表现出最低的物种丰富度与多样性，Chao1(2347)、Shannon(5.66)、Simpson
在科水平上，共鉴定出569科微生物。共有15种主要的科类(相对丰度＞1％)被检出。检测发现假单胞菌科(Pseudomonadaceae)(7％)、草酸杆菌科(Oxalobacteraceae)(6.2％)、莫拉菌科(Moraxellaceae(5.9％)、Chitinophagaceae(5％)、厌氧蝇菌科(Anaerolinaceae)(4.4％)、丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)(4％)、鞘脂单胞菌科(Sphingomonadaceae)(3.86％)、黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)(3.7％)、芽孢杆菌科(Bacillaceae)(3.37％)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)(2.9％)、根瘤菌科(Rhizobiaceae)(1.82％)、地杆菌科(Geobacteraceae)(1.8％)、纤维素单胞菌科(Cellulomonadaceae)(1.5％)、间包囊菌科(Intrasporangiaceae)、红环菌科(Rhodocyclaceae)(1.26％)、梭菌科(Clostridiaceae)(1.05％)。
如图4所示，本研究8组样品中所含序列数前30个OTUs进行序列数量的相似性聚类，对聚类后各样品中不同OTU(不同微生物属)所含序列的丰度作出Heatmap图。不同颜色代表阳极微生物群落丰度大小，深红色代表丰度最大，深绿色代表丰度最小。
假单胞菌属(Pseudomonas sp.)和芽孢杆菌属(Bacillus sp.)分别属于假单胞菌科(Pseudomonadaceae)、芽孢杆菌科(Bacillaceae)，是最为常见的电化学活性微生物，在各实验组也检测出较高相对丰度。假单胞菌属(Pseudomonas sp.)是CK1次优势电化学活性微生物，也有着较高的相对丰度(6.7％)，C4、R4相对丰度最低分别为1.18％、0.68％，其它实验组相对丰度为CK2 2.24％，N1 3.42％，N4 3.28％，C1 1.37％，R1 2.49％。芽孢杆菌属(Bacillus sp.)能够借助溶解性电子介体传递电子。芽孢杆菌属(Bacillus sp.)是系统中次优势电活性微生物，在CK1与CK2中检测到较高相对丰度，分别为4.23％、5.3％，其它实验组相对丰度为N1 3.24％，N4 2.48％，C1 1.41％，C4 1.18，R1 1.85％，R4 0.51％。阳极微生物群落还检测出在微生物燃料电池(MFCs)中常见的电化学活性微生物柠檬酸杆菌(Citrobacter sp.)，梭状芽胞杆菌(Clostridium sp.)、热单胞菌属(Thermomonas sp).，在8个实验组中约占4.4％、4.7％、2.8％。
由图5清晰可见，CK1样本中变形菌门(Proteobacteria)所占比例最大占75.6％，其次为厚壁菌门(Firmicutes)占12.6％，剩余所占比例较多的有酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)菌群，相对丰度均在2％以上。
CK2样本中优势门类为变形菌门(Proteobacteria)占44.9％，拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)也有较高的相对丰度，所占比例分别为18.9％、16.8％、15.3％。
N1、N2门水平下群落结构较为相似，变形菌门(Proteobacteria)为其主要类群分别占63.9％、62.4％，拟杆菌门(Bacteroidetes)为次优势类群，分别为11.4％、14％，、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、疣微菌门(Verrucomicrobia)等在相对丰度上均较为接近。
C1、C4在不同的污染浓度胁迫下，群落结构存在一定差异性，变形菌门(Proteobacteria)相对丰度在2个样本中虽占最大比例，但相差8.4％。低浓度胁迫下厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)为C1的次优势门类，占13.6％、10.5％、9.7％，高浓度胁迫厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门(Acidobacteria)所占比例显著提高，提高至25.3％、20.3％。
在R1、R4中变形菌门(Proteobacteria)仍占较高比例，分别为52.2％、41.2％。其次低浓度暴露组中拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度较高占15％、13.8％，高浓度暴露组上述2群落所占比例略有变化占12.8％、16.6％，另外疣微菌门(Verrucomicrobia)也占有较高比例，11.2％，远超于其它实验组。
本研究中变形菌门(Proteobacteria)为8个实验组中相对丰度最高的门类，其在阳极中的广泛分布占据了微生物群落组成的主要部分，有研究表明，在阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统中变形菌门(Proteobacteria)中的电化学活性微生物能够适应阳极环境并在阳极富集，成为阳极表面主要电子供体，故变形菌门(Proteobacteria)相对丰度的大小可能是影响系统产电能力的关键。
二、不同污染情况下阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统输出电压测试
本发明阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统输出电压和普通微生物燃料电池(MFCs)的电压曲线略有不同，是因为微生物燃料电池(MFCs)反应多发生在水相介质中，而阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统发生在土壤、沉积物介质中。系统启动后，各实验组获得不同的初始电压，后各系统电压呈现出不断上升之后又下降的曲折趋势。
图6反映了C组和N组在系统运行100d内的输出电压变化情况。在系统运行100d内，8个实验组和2个对照组的初始电压分别为C1(0.60mV)、C2(0.19mV)、C3(0.03mV)、C4(10.39mV)、N1(340.14mV)、N2(371.73mV)、N3(315.03mV)、N4(203.27mV)和CK1(47.55mV)。初始电压的不同可能与污染物的理化性质有关。随着系统运行时间的延长，输出电压变化幅度较大，导致这一现象的原因可能与电极周边易于被微生物降解的有机质被消耗有关。80d左右各实验组产电量基本呈下降趋势。该实验组在整个运行阶段获得的最大输出电压分别为C1(677.98mV)、C2(672.75mV)、C3(628.39mV)、C4(594.23mV)、N1(686.47mV)、N2(607.20mV)、N3(601.53mV)、N4(598.38mV)和CK1(707.01mV)。对比数据得知，实验组中，污染胁迫下，单一Cr 200mg/kg处理组(C1)和单一NO3-N 50mg/kg处理组(N1)最大输出电压最高，但仍低于无毒有植物对照组(CK1)，表明污染胁迫对系统的产电性能有一定的影响。
图6还反映了R组在系统运行的100d内的输出电压变化情况。在系统运行的100d内，4个实验组的初始电压分别为R1(335.05mV)、R2(303.36mV)、R3(263.12mV)、R4(245.74mV)，输出电压在整个运行阶段总体在0～600mV范围内大幅度波动。该实验组在整个运行阶段获得的最大输出电压分别为R1(598.73mV)、R2(555.29mV)、R3(513.42mV)、R4(420.07mV)。随染毒浓度的增长，产电量呈下降趋势，推测可能与实验过程中，随实验的进行，部分香蒲表现出发黄等现象，污染物浓度过高对植株生长产生影响有关，但是尽管植株生长表现出不适，但仍表现出一定的产电能力。或污染物浓度过高，微生物还没有较好的适应，尤其是使电化学活性微生物丧失活性有关，导致对外输出电压较低。
三、不同污染情况下阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统功率密度及极化曲线
待阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统产电稳定后，反应器开路稳定2h，采用人工调节外电阻方法，将外电阻从10000Ω逐渐改变至10Ω，每个阻值下保持30min，得到极化曲线和功率密度曲线。
各系统详细表观内阻、最高功率密度值见表3。实验装置稳定运行期间极化曲线如图7至图9所示，CK1为空白对照组，具有最低的表观内阻，阻值仅为4.37Ω。在不同浓度污染胁迫下，C组系统表观内阻明显不同，随着污染胁迫浓度的升高，表观内阻由C1组7.19Ω逐渐上升到19.37Ω，上升幅度169.40％。N组系统随污染胁迫浓度的升高，表观内阻也呈现上升趋势，由4.48Ω上升至15.99Ω，上升幅度256.92％。R组中R1表观内阻最低，为5.49Ω，R4组表观内阻最高，为18.79Ω，且阻值普遍高于单一污染组。
表3不同APSFCs系统表观内阻及最高功率密度
Figure BDA0002434628210000101
各系统功率密度曲线如图10至图12所示，CK1组最高功率密度达37.57mW/m2，远高于其它组。随着污染胁迫浓度的升高，C、N与R组均出现最高功率密度下降的趋势，即低污染胁迫下系统表现更优。C组最高功率密度由13.58mW/m2下降至1.37mW/m2，N组最高功率密度由18.79mW/m2下降至4.48mW/m2，R组最高功率密度由8.95mW/m2下降至1.56mW/m2。明显可见，高污染浓度胁迫下，电池系统的最大输出功率密度急剧下降。
综合比较所有反应器的表观内阻和输出功率密度，CK1组有最小的表观内阻和最大的输出功率密度。
以上数据说明阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统系统能适应复杂的污染环境，即使在较高浓度的污染胁迫下，依然有较好的性能表现。且植物的存在能有效缓解电化学活性微生物受环境污染的影响，提高阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统系统产电性能。但应考虑系统承受污染胁迫阈值，使阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统系统能兼具较优的产电与环境修复功能。
实施例2
本实施例所需材料为：铜绿假单胞菌冻干菌种，营养肉汤液体培养基，无菌甘油，生理盐水，营养琼脂平板，所述铜绿假单胞菌种购自武汉水之国环保科技有限公司。
一、菌种培养步骤：
(1)菌种复苏和复壮：用吸管吸取0.3ml营养肉汤液体培养基注入瓶底并吹打，制成菌悬液，将菌悬液全部吸出，接种培养基；将铜绿假单胞菌干菌种转移到装有100ml营养肉汤液体培养基的锥形瓶中复苏(第1代)，于35℃摇床中恒温培养18小时，得第1代培养物；取1ml的第1代培养物，接种到装有100ml营养肉汤液体培养基的锥形瓶中复壮(第2代)，于35℃摇床中恒温培养18小时，得第2代培养物。
(2)菌种稀释探索：取用1ml第2代培养物加入9ml生理盐水中，混匀，得10-1稀释菌液，依次加入生理盐水稀释培养物浓度为至10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8和10-9；分别取菌种浓度为10-5、10-6、10-7、10-8和10-9稀释菌液，1ml涂布营养琼脂平板，各做3个平行；涂布结束后置于32恒温培养箱中培养1天；同时锥形瓶中第2代菌悬液置于2～8摄氏度冰箱保存。
(3)菌种保存：从冰箱中取出第2代菌悬液，根据菌液初始浓度，用生理盐水稀释至400CFU/ml；取稀释后菌液加无菌甘油使终浓度为15％，菌液浓度为200CFU/ml；分装至冷冻保存管1ml/管；分装好代冷冻管，置于-80摄氏度冰箱冻存。同时取3支分别涂布营养琼脂平板，置于32摄氏度培养3天计数，以验证冻存效果；使用时取出冻存管，室温自然解冻，接种至培养基培养得第3代菌悬液；每季度取3支菌悬液解冻布营养琼脂平板，培养计数以验证冻存效果。
实施例3
本实施例提供了一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统，包括1-阳极、2-阴极、3-香蒲水生植物、4-电阻、5-数据采集器、6-水体7-土壤以及铜绿假单胞菌。具体装置见图1.
本实施例假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统的制备方法，包括如下步骤：
(1)基质制作：取河畔湿地的泥土经风干后，研碎过筛得到栽培植物用的基质；
(2)植物材料与繁殖培养：选取香蒲水生植物，将其置于盛有沙土的容器中培养；
(3)构建含微生物的单室电池阳极：以不透光、不导电的容器为反应器，阳极和阴极均采用泡沫镍材料，采用生物质多孔碳对泡沫镍电极进行阳极改性处理；制备多孔碳/泡沫镍阳极，所述铜绿假单胞菌微生物(浓度为2×105cfu/L)置于阳极植物根系处；
(4)阴极选材及改性：以泡沫镍作为3D支架，采用多孔碳进行改性处理，制备多孔碳/泡沫镍电极片作为阴极；
(5)阴阳两极的构建方式：将香蒲水生植物植于生长箱中，根据根系长度采用对称结构放置系统阴阳极，其中阳极埋深于香蒲根系附近，阴极置于水土分界面，使之易能接触空气中的氧气；
(6)纪录电压值：通过数据采集器测定阴极电位，阴极区pH值和溶解氧浓度，测定根系泌氧率，计算根系孔隙度，计算阳极电位值。
实施例4
经过实施例1阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统对不同污染浓度土壤中，阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统产电性能测试研究发现，对于污染浓度较高情况下，不利于电化学活性微生物生存，从而会降低阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统产电性能。因此，本实施例采取对CK1和空白无染毒做对照实验，测试添加铜绿假单胞菌后，阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统的产电性能。
具体的，将实施例2中培养好对铜绿假单胞菌悬浮液浓度为2×105cfu/L，营养液成分包括葡萄糖1g/L、氯化钾0.25g/L，氯化铵0.3g/L、氯化钠4g/L，氯化钙0.02g/L。缓冲液采取0.3mol/L的PBS缓冲液，总菌种、营养液、缓冲液体积比1:3:2，总加入混合物采取100ml，按照实施例3的要求，构建假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统。
本实施例探讨CK1和添加菌种后对功率密度及20d系统运行输出电压情况，见图13。
由图13可知，添加铜绿假单胞菌菌种后，整体对阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统功率密度较CK1上升幅度较小。
由图14可知，在添加铜绿假单胞菌后，20d系统运行过程中，大大增加了其产电性能和输出电压。CK1中最高输出电压为180mV，而添加铜绿假单胞菌后最高输出电压为530mV。效果较为显著。
同样也以复合污染较轻条件下R1也做了对照，见图15。
在轻微复合污染条件下，添加铜绿假单胞菌后整体产电效果也较好，20d系统运行期间最高输出电压为625mV，R1最高输出电压为520mV。
通过本实施例实验可知，添加铜绿假单胞菌后，对阳极光合太阳能燃料电池(APFSCs)系统产电效果促进较为明显。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，包括阳极光合太阳能燃料电池、假单胞菌属微生物和电阻，所述阳极光合太阳能燃料电池为单室结构，包括土壤、水体、绿色水生植物和两个电极，所述绿色水生植物的根部穿过水体置于土壤内部，其中一个电极平铺在土壤内部作为阳极，另一个电极平铺在土壤与水体的交界面作为阴极，所述绿色水生植物的根部添加假单胞菌属微生物，所述电阻的两端分别与阳极、阴极相连。
2.根据权利要求1所述假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述假单胞菌属微生物为铜绿假单菌。
3.根据权利要求2所述假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述铜绿假单菌的菌种浓度为2×105～5×105cfu/L。
4.根据权利要求3所述假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述铜绿假单菌的菌种浓度为2×105cfu/L。
5.根据权利要求1至4任一项所述假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述水生植物为香蒲水生植物。
6.根据权利要求1至4任一项所述假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述阴极材料和阳极材料为多孔碳/泡沫镍或石墨烯/泡沫镍中的一种。
7.根据权利要求6所述假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述阴极材料为多孔碳/泡沫镍。
8.根据权利要求7所述假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统，其特征在于，所述假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池外接数据采集器，所述数据采集器两端分别与阴极和阳极相连。
9.一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)基质制作：取河畔湿地的泥土经风干后，研碎过筛得到栽培植物用的基质；
(2)植物材料与繁殖培养：选取绿色水生植物，将其置于盛有沙土的容器中培养；
(3)构建含微生物的单室电池阳极：以不透光、不导电的容器为反应器，采用生物质多孔碳或石墨烯对泡沫镍电极进行阳极改性处理，制备多孔碳/泡沫镍阳极或者石墨烯/泡沫镍阳极,所述假单胞菌属微生物置于阳极植物根系处；
(4)阴极选材及改性：以泡沫镍作为3D支架，采用多孔碳或石墨烯进行改性处理，制备多孔碳/泡沫镍电极片或石墨烯/泡沫镍电极片作为阴极；
(5)阴阳两极的构建方式：将绿色水生植物植于生长箱中，根据根系长度采用对称结构放置系统阴阳极，其中阳极埋深于水生植物根系附近，阴极置于水土分界面，使之易能接触空气中的氧气；
(6)纪录电压值：通过数据采集器测定阴极电位，阴极区pH值和溶解氧浓度，测定根系泌氧率，计算根系孔隙度，计算阳极电位值。
10.一种假单胞菌-阳极光合太阳能燃料电池系统在治理土壤污染中的应用。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7767323B1 (en) * 2006-12-19 2010-08-03 University Of South Florida Microbial fuel cell
CN103184185A (zh) * 2013-01-29 2013-07-03 南京工业大学 产电基因工程菌的构建、菌株及其应用
CN105762372A (zh) * 2016-04-21 2016-07-13 常州大学 一种用农业废弃物制备微生物燃料电池阳极电极的方法
CN105845947A (zh) * 2016-05-31 2016-08-10 常州大学 利用油菜秸秆制备微生物燃料电池电极材料的方法
CN108365245A (zh) * 2018-02-09 2018-08-03 广东省农业科学院环境园艺研究所 一种用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法
CN108676079A (zh) * 2018-05-31 2018-10-19 中国科学院微生物研究所 导电四型菌毛及其编码基因和含有该基因的载体和相应的生产菌株及其应用
CN108928932A (zh) * 2018-07-12 2018-12-04 南通大学 一种基于混合菌群微生物燃料电池处理羊场废水的方法
CN109261713A (zh) * 2018-08-20 2019-01-25 陕西科技大学 一种植物-微生物燃料电池阻截土壤纳米颗粒源金属离子流转的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7767323B1 (en) * 2006-12-19 2010-08-03 University Of South Florida Microbial fuel cell
CN103184185A (zh) * 2013-01-29 2013-07-03 南京工业大学 产电基因工程菌的构建、菌株及其应用
CN105762372A (zh) * 2016-04-21 2016-07-13 常州大学 一种用农业废弃物制备微生物燃料电池阳极电极的方法
CN105845947A (zh) * 2016-05-31 2016-08-10 常州大学 利用油菜秸秆制备微生物燃料电池电极材料的方法
CN108365245A (zh) * 2018-02-09 2018-08-03 广东省农业科学院环境园艺研究所 一种用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法
CN108676079A (zh) * 2018-05-31 2018-10-19 中国科学院微生物研究所 导电四型菌毛及其编码基因和含有该基因的载体和相应的生产菌株及其应用
CN108928932A (zh) * 2018-07-12 2018-12-04 南通大学 一种基于混合菌群微生物燃料电池处理羊场废水的方法
CN109261713A (zh) * 2018-08-20 2019-01-25 陕西科技大学 一种植物-微生物燃料电池阻截土壤纳米颗粒源金属离子流转的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
谢静怡等: "人工湿地型微生物燃料", 《安全与环境学报》 *

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