CN111549021A - 一种用于微生物燃料电池的包埋改性导电细菌及其制备方法 - Google Patents

一种用于微生物燃料电池的包埋改性导电细菌及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于微生物燃料电池的包埋改性导电细菌，通过对导电碳源进行亲水性改性，然后加入单宁酸溶液中，进一步超声改性，并利用铁盐与单宁酸形成的螯合产物(TA‑Fe3+材料)，一步实现导电细菌的包埋保护以及导电功能型纳米粒子与导电细菌之间的紧密结合；可有效降低电子转移电阻，促进细菌与电极之间的电子迁移，进一步提升导电细菌的产电效率；将其应用于微生物燃料电池领域，可集高活性与高产能于一体，有效解决微生物燃料电池活性低、产电效率低等问题；且涉及的制备方法简单，操作方便，处理周期短，环境友好，适合推广应用。

Description

一种用于微生物燃料电池的包埋改性导电细菌及其制备方法
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种用于微生物燃料电池的包埋改性导电细菌及其制备方法。
背景技术
目前，解决日趋严重的环境污染问题和探索新的能源是人类社会能源完成可持续发展的两大根本性问题。
微生物燃料电池是一种可以实现能量转换及产能的新概念装置，可作为一种利用有机废物产能的装置走向世界能源舞台。微生物燃料电池能够将废物中有机物的氧化转化为电能，并在废水处理等广泛领域具有巨大的应用潜力。然而，由于现有技术限制，通常存在细菌活性低、细菌负载能力低和细菌与电极之间难以进行电子转移(主要通过细菌表面导电蛋白运输电子)等问题，导致目前微生物燃料电池的功率密度明显低于理论值。因此进一步对导电细菌等微生物进行改性，具有重要的研究和应用意义。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种用于微生物燃料电池的包埋改性导电细菌，它可有效保持导电细菌活性并改善其产电性能，显著改善现有微生物燃料电池活性低、产电效率低等问题，且涉及的制备方法简单、操作方便，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于微生物燃料电池的包埋改性导电细菌的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳源加入混酸溶液中，在搅拌条件下进行加热反应，对反应产物进行静置沉降，去除上清液、洗涤，得亲水化碳材料；
2)将所得亲水化碳材料加入单宁酸溶液中，进行超声反应，得单宁酸悬浊液；
3)将希瓦氏菌溶液依次与单宁酸悬浊液、铁盐溶液混合均匀，并进行振荡处理，离心，洗涤，即得所述包埋改性导电细菌。
上述方案中，所述碳源为导电型炭黑或碳纳米管，优选为碳纳米管；其中碳纳米管直径为20～30nm，长度为0.5～2μm；导电型炭黑的平均粒径为30～50nm。
上述方案中，所述铁盐为FeCl3。
上述方案中，所述混酸溶液由浓硫酸与浓硝酸按3:1～2的体积比混合而成。
上述方案中，所述碳源与混酸溶液的体积比为1～1.5:2。
上述方案中，步骤1)中所述加热反应温度为90～100℃，时间2～3h。
上述方案中，步骤2)中形成单宁酸悬浊液的溶液体系中，单宁酸的浓度为0.05～0.063mmol/L，亲水化碳材料的浓度为8～10g/L。
上述方案中，步骤2)中所述超声反应时间为5～10min,超声功率优选为80W。
上述方案中，所述希瓦氏菌溶液的OD600＝0.8～1.2。
上述方案中，所述铁盐溶液的浓度为0.04～0.05mmol/L。
上述方案中，步骤3)中所述希瓦氏菌溶液、单宁酸悬浊液和铁盐溶液的体积比为(2～3):(1～1.5):1。
上述方案中，所述希瓦氏菌溶液、单宁酸溶液和铁盐溶液均为对应的水溶液。
上述方案中，所述希瓦氏菌利用MR-1厌氧培养基在厌氧环境下培养而成。
上述方案中，所述MR-1厌氧培养基的配制方法优选为：每100mL水中加入0.5g酵母提取物、1g蛋白胨和1g NaCl，混合均匀后调节pH至中性，后加入0.5mL浓度为0.75wt％的乳酸钠溶液。
上述方案中，所述希瓦氏菌培养条件为：在CO2环境下，摇床培养10～12h，其中摇床温度为30～35℃，转速为200～220rpm。
根据上述方案所得包埋改性导电细菌，可在极端条件下保持希瓦氏菌良好的活性，并可进一步改善希瓦氏菌与电极之间难以进行电子转移等问题，将其应用于微生物燃料电池，可有效提升其产电效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明通过对导电碳源进行亲水性改性，然后加入单宁酸溶液中，进一步超声改性，并利用铁盐与单宁酸形成的螯合产物(TA-Fe3+材料)，一步实现导电细菌的包埋保护以及导电功能型纳米粒子与导电细菌之间的紧密结合；一方面在导电细菌表面形成的TA-Fe3+材料壳层使导电细菌免受外界极端环境的干扰，并保持导电细菌的良好活性；另一方面导电功能型纳米粒子与导电细菌表面的导电蛋白紧密结合，可有效降低电子转移电阻，促进细菌与电极之间的电子迁移，进一步提升导电细菌的产电效率。
2)TA-Fe3+材料与导电功能型纳米粒子(尤其亲水改性碳纳米管)可极大地降低细菌的阻抗，显著提高以细菌为阳极的微生物燃料电池的功率密度。
3)本发明涉及的制备方法简单，操作方便，处理周期短，环境友好，适合推广应用。
附图说明
图1为实施例1所得包埋改性希瓦氏菌的SEM图；
图2为实施例1所得包埋改性希瓦氏菌与裸菌的UV表征图；
图3为实施例1所得包埋改性希瓦氏菌的交流阻抗图；
图4为实施例1、2所得包埋改性希瓦氏菌的产电性能图；
图5为实施例1所得包埋改性希瓦氏菌与裸菌的生长曲线图；
图6为实施例1所得包埋改性希瓦氏菌与裸菌的极端条件下存活率图，对应的四种使用条件分别为:(a)45℃高温；(b)1.35％渗透压；(c)254nm紫外照射；(d)10mg/mL溶菌酶；
图7为实施例2所得包埋改性希瓦氏菌的SEM图；
图8为实施例2所得包埋改性希瓦氏菌的交流阻抗图；
图9为对比例1所得改性希瓦氏菌的交流阻抗图；
图10为对比例2所得包埋改性希瓦氏菌的SEM图；
图11为对比例2所得包埋改性希瓦氏菌的交流阻抗图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，采用的导电型黑的平均粒径为40nm；碳纳米管的直径为20～30nm，长度为0.5～2μm；氧化石墨烯的片径为0.5～5μm，层数1～6层。
实施例1
一种用于微生物燃料电池的包埋改性导电细菌，其制备方法包括如下步骤：
1)使用厌氧MR-1培养基培养希瓦氏菌：称量0.5g酵母提取物，1g蛋白胨，1g NaCl，加水溶解后放入100mL容量瓶定容，转移至100mL蓝盖瓶；用pH计测量培养液pH，并用1mol/L的NaOH调节至中性；然后向蓝盖瓶中加入0.5mL浓度为0.75wt％的乳酸钠溶液；将蓝盖瓶放入高压灭菌锅中，灭菌30min(压强为1.05kg/cm2，温度为121.3℃)；灭菌完成后将蓝盖瓶放入消毒后，由预先放置锥形瓶中的超净工作台至蓝盖瓶中液体冷却，取30mL所得液体至锥形瓶中，并向其中放入希瓦氏菌菌种，再将锥形瓶放入处于CO2环境的摇床中培养12h，其中摇床温度30℃，转速220rpm；培养完成后取1.5mL所得菌液到2mL离心管中，以6000rpm转速离心3min，然后去除上清液；然后加入1.5mL的0.85wt％生理盐水均匀混合以6000rpm转速离心3min，去除上清液，重复上述生理盐水清洗步骤操作两次；
2)亲水化碳小球的制备：取25mL导电型炭黑，50mL混酸(浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1)，将两者放入250mL圆底烧瓶中，在90℃和搅拌子搅拌条件下油浴反应2～3h；反应完成后放置12h，待其自然沉降，去除上酸液，沉淀物用去离子水洗涤多遍至中性，后将其分散在适量去离子水中，得亲水化小球分散液；
3)将单宁酸(TA)和FeCl3 .6H2O分别溶于去离子水中，形成浓度为0.075mmol/L的TA溶液和浓度为0.05mmol/L的FeCl3溶液，将步骤2)所得亲水化小球加入TA溶液中并控制所得溶液体系中亲水化小球的浓度为10g/L，TA浓度为0.065mmol/L，进行超声反应(功率为80W，时间为8～10min)，形成TA悬浊液；
4)向步骤1)得到的离心去除上清液的1.5mL希瓦氏菌液(OD600＝1.0)中依次加入0.75mL的TA悬浊液和0.75mL的FeCl3溶液，混合均匀，并用涡旋振荡器振荡30s，即得所述分级碳材料可逆包埋的导电细菌(包埋改性希瓦氏菌)。
本实施例所得包埋改性希瓦氏菌及未进行包埋处理的希瓦氏菌的裸菌SEM图见图1，可以看出，裸菌的表面是光滑的，包埋TA-Fe3+材料的细菌表面开始出现不光滑的现象，其表面出现直径为40nm左右的小球，形成细菌-TA(碳小球)-Fe3+为代表的多级结构，证实成功包埋碳小球。
本实施例所述希瓦氏菌进行包埋前后的UV表征图见图2，可以看出，本发明所得包埋碳小球可将TA-Fe3+材料成功包埋在希瓦氏菌表面。
本实施例所述希瓦氏菌进行包埋前后所得交流阻抗图见图3，结果表明：裸菌的阻抗大约在4200Ω，包埋TA-Fe3+材料的细菌的阻抗大约为84kΩ，分级碳小球包埋改性希瓦氏菌的阻抗大约为6900Ω，碳小球的包埋极大的降低了包埋TA-Fe3+材料导致的高阻抗。
本实施例所述希瓦氏菌进行包埋前后的产电性能图见图4，结果表明，裸菌的产电效率最高大约为269mW/m2，分级碳小球包埋改性希瓦氏菌的细菌产电效率最高为449mW/m2，本发明所得包埋改性希瓦氏菌的产电效率可得到显著提升。
本实施例所述希瓦氏菌进行包埋前后的生长曲线图见图5，可以看出，TA-Fe3+材料的包埋对细菌本身活性无任何影响。
本实施例所述希瓦氏菌进行包埋前后的极端条件下存活率图见图6，可以看出，TA-Fe3+材料的包埋能有效保护恶劣环境下的细菌。
实施例2
本实施例所述分级碳材料可逆包埋的导电细菌的制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于将亲水化碳纳米管直接替换实施例1采用的亲水化碳小球。
本实施例所得包埋改性希瓦氏菌的SEM图见图7，可以看出，细胞表面被丝状碳纳米管全部覆盖，形成细菌-TA(碳纳米管)-Fe3+为代表的多级结构，证实成功包埋包埋碳纳米管，且引入的改性碳纳米管在保证包埋保护效果的基础上，可进一步引入有效的电子传输通道，显著降低希瓦氏菌的阻抗并有效提升其产电效率。
本实施例所得包埋改性希瓦氏菌的的交流阻抗图见图8，结果表明，所得本实施例所得包埋改性希瓦氏菌的的阻抗大约为260Ω，本发明形成的碳纳米管-TA-Fe3+包埋层，在有效保证希瓦氏菌活性的基础上，可有效降低电子转移电阻，促进细菌与电极之间的电子迁移，进而进一步显著导电细菌的产电效率。
本实施例所得包埋改性希瓦氏菌的产电性能图见图4，从图4可知，所得包埋改性希瓦氏菌的产电效率最高为490mW/m2，可有效提升其产电效率。
对比例1
一种分级碳材料可逆包埋的导电细菌，采用的原料及添加量条件与实施例2相同，首先采用实施例2相同条件分别得到希瓦氏菌液和亲水化碳纳米管，然后取直接将希瓦氏菌液与单宁酸溶液和亲水化碳纳米管混合均匀，再加入FeCl3溶液，混合均匀，并用涡旋振荡器振荡30s，即得所述分级碳材料可逆包埋的导电细菌(包埋改性希瓦氏菌)。
本实施例所得包埋改性希瓦氏菌的的交流阻抗图见图9，从图9可知，该包埋改性菌的阻抗为86kΩ，对包埋TA-Fe3+材料导致的阻抗增加没有降低作用。
对比例2
一种包埋改性希瓦氏菌，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于将氧化石墨烯直接替换实施例1采用的亲水化碳小球，所得改性希瓦氏菌的SEM图见图10，可以看出，细胞表面有部分面积被片状物质覆盖，但面积较小，无法证实氧化石墨烯被有效包埋。
图11为本对比例所得包埋改性希瓦氏菌的交流阻抗图，其阻抗约为25kΩ。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微生物燃料电池的包埋改性导电细菌的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将碳源加入混酸溶液中，在搅拌条件下进行加热反应，对反应产物进行静置沉降，去除上清液、洗涤，得亲水化碳材料；
2)将亲水化碳材料加入单宁酸溶液中，进行超声反应，得单宁酸悬浊液；
3)将希瓦氏菌溶液依次与单宁酸悬浊液、铁盐溶液混合均匀，并进行振荡处理，离心，洗涤，即得所述包埋改性导电细菌。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源为导电型炭黑或碳纳米管；其中碳纳米管直径为20～30nm，长度为0.5～2μm；导电型炭黑的平均粒径为30～50nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁盐为FeCl3；混酸溶液由浓硫酸与浓硝酸混合而成。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源与混酸溶液的体积比为1:1.5～2。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述加热反应温度为90～100℃，时间2～3h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中形成单宁酸悬浊液的溶液体系中，单宁酸的浓度为0.05～0.063mmol/L，亲水化碳材料的浓度为8～10g/L。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述超声反应时间为5～10min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述希瓦氏菌溶液的OD600＝0.8～1.2；所述铁盐溶液的浓度为0.04～0.05mmol/L。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述希瓦氏菌溶液、单宁酸悬浊液和铁盐溶液的体积比为(2～3):(1～1.5):1。
10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备的包埋改性导电细菌。
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