CN111613800B - 一种诱导电活性微生物持续产电的方法 - Google Patents

一种诱导电活性微生物持续产电的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111613800B
CN111613800B CN202010344928.7A CN202010344928A CN111613800B CN 111613800 B CN111613800 B CN 111613800B CN 202010344928 A CN202010344928 A CN 202010344928A CN 111613800 B CN111613800 B CN 111613800B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
geobacter
microbial fuel
electroactive
inducing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010344928.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111613800A (zh
Inventor
刘星
叶银
刘璐
周顺桂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujian Agriculture and Forestry University
Original Assignee
Fujian Agriculture and Forestry University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujian Agriculture and Forestry University filed Critical Fujian Agriculture and Forestry University
Priority to CN202010344928.7A priority Critical patent/CN111613800B/zh
Publication of CN111613800A publication Critical patent/CN111613800A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111613800B publication Critical patent/CN111613800B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9008—Organic or organo-metallic compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8684—Negative electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Abstract

本发明提供了一种诱导电活性微生物持续产电的方法，将Geobacter sulfurreducens菌接种到微生物燃料电池的阳极室，在所述微生物燃料电池运行后期接种电活性微生物Geobacter uraniireducens菌。本发明的方法使接种Geobacter sulfurreducens的微生物燃料电池在运行后期仍然保持良好的产电性能。

Description

一种诱导电活性微生物持续产电的方法
技术领域
本发明涉及一种诱导电活性微生物持续产电的方法，属于微生物电池技术领域。
背景技术
微生物电化学系统(Microbial bioelectrochemical systems,BESs)是微生物燃料电池(MFCs)、沉积微生物燃料电池(SMFCs)、微生物脱盐电池(MDCs)、植物微生物燃料电池(P-MFCs)、微生物电解电池(MECs)和微生物电合成电池(MESs)等技术的总称，它利用电活性微生物(Electroactive microorganisms,EAM)催化电极反应，能从废水中回收电能，在加电条件下生产有价值的化学品，可作生物传感器并且在对环境进行生物修复、处理废水、去除污染物等诸多方面发挥重要作用，具有显著的环境效益和经济效益，因此具有很好的应用前景。
微生物燃料电池是利用电活性微生物作为催化剂，将化学能转化为电能，同时又可以处理废水的新型技术。随着科技的不断进步以及科研的不断深入，以及更多的电活性微生物被人类发掘，这大大拓展了微生物燃料电池的应用领域，如直接制造生物传感器、处理废水产电等。微生物燃料电池的研究与应用，对缓解当前的能源危机有重大意义，并且具有非常大的发展潜力。
目前关于MFC的研究多集中在探索电活性微生物的胞外电子传递机制，以及如何去除污染物，研究的绝大多数微生物为地杆菌属(Geobacter)和希瓦氏菌属(Shewanella)等。电活性微生物胞外电子传递涉及一系列连续的氧化还原反应，通过具有不同氧化还原电势的电子载体蛋白及导电菌毛，将电子传递给终端电子受体。有研究通过基因工程手段构建了硫还原地杆菌突变株CL-1，该突变株在以乙酸为电子供体的微生物燃料电池中表现出比野生型硫还原地杆菌更好的产电性能。
Geobacter sulfurreducens是微生物燃料电池中产电能力最强电活性微生物之一，通过氧化乙酸，将产生的电子通过胞内的电子传递链传递出细胞膜最后传递给体系中的终端电子受体(阳极电极)，电子通过外电路到达阴极，从而形成电流。由于随着电活性生物不断生长，在电极上形成生物膜，死细胞在生物膜内堆积，质子在电极附近积累，电子供体与营养物质受扩散限制，因而在后期微生物燃料电池的产电会持续降低，导致该微生物燃料电池的性能不能达到实际运用的标准。
发明内容
本发明提供了一种诱导电活性微生物持续产电的方法，可以有效解决上述问题。
本发明是这样实现的：
一种诱导电活性微生物持续产电的方法，其特征在于，将Geobactersulfurreducens菌接种到微生物燃料电池的阳极室，在所述微生物燃料电池运行后期接种电活性微生物Geobacter uraniireducens菌。
作为进一步改进的，所述微生物燃料电池为双室三电极微生物燃料电池。
作为进一步改进的，所述双室三电极微生物燃料电池的阳极为石墨板。
作为进一步改进的，所述Geobacter sulfurreducens菌和所述Geobacteruraniireducens菌在接种前单独培养于pH为7.0的NBAF培养基中，培养温度为30℃。
作为进一步改进的，所述Geobacter sulfurreducens菌、Geobacteruraniireducens菌在接种前均需培养至OD值为0.3以上。
作为进一步改进的，所述微生物燃料电池运行后期为微生物燃料电池的电流开始下降时。
作为进一步改进的，在Geobacter sulfurreducens菌接种前向所述微生物燃料电池中通入CO2与N2的混合气。
作为进一步改进的，所述CO2与N2的混合气中CO2与N2的体积比为20％：80％。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种诱导电活性微生物持续产电的方法，通过本发明能够使接种Geobacter sulfurreducens的微生物燃料电池在运行后期仍然保持良好的产电性能。
本发明突破了对微生物燃料电池无法持续高效运行的传统认识，提高了Geobacter sulfurreducens的实际运用价值，很大程度上提升了对生物电化学系统的研究，因此可作为一种参考方法进行大规模的推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。
图1为Geobacter sulfurreducens及加入Geobacter uraniireducens的产电图。
图2为Geobacter sulfurreducens及加入Geobacter uraniireducens的阳极石墨板上形成的电活性生物膜进行活死染色后激光共聚焦显微镜下的图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例中所述NBAF培养基的配方如表1所示。
表1培养基的组成
Figure BDA0002469815260000051
*每升100X NB Salts Mix溶液中含有4g KH2PO4，22g K2HPO4，20g NH4Cl，38g KCl，36g NaCl，余量为水。
**每升NB Mineral Elixir溶液中含有2.14g NTA，0.1g MnCl2*4H2O，0.3g FeSO4*7H2O，0.17g CoCl2*6H2O，0.1g ZnSO4*7H2O，0.03g CuCl2*2H2O，0.005g AlK(SO4)2*12H2O，0.005g H3BO3，0.09g Na2MnO4*2H2O，0.11g NiSO4*6H2O，0.02g Na2WO4*2H2O，余量为水。
***每升DL维生素溶液中含有0.002g维生素H，0.005g维生素B5，0.0001g维生素B12,0.005g对氨基苯甲酸,0.005g a-硫辛酸,0.005g烟酸，0.005g维生素B1，0.005g核黄素，0.01g Pyridoxine HCl，0.002g叶酸，余量为水。
本发明实施例中所述FWNN电解液的配方如表2所示。
表2电解液的组成
Figure BDA0002469815260000052
Figure BDA0002469815260000061
*每升DL维生素溶液中含有0.002g维生素H，0.005g维生素B5，0.0001g维生素B12,0.005g对氨基苯甲酸,0.005g a-硫辛酸,0.005g烟酸，0.005g维生素B1，0.005g核黄素，0.01g Pyridoxine HCl，0.002g叶酸，余量为水。
**每升DL微量元素溶液中含有1.5g NTA Trisodium Salt，3g MgSO4，0.5g MnSO4*H2O，1g NaCl，0.1g FeSO4*7H2O，0.1g CaCl2*2H2O，0.1g CoCl2*6H2O，0.13g ZnCl2，0.01gCuSO4*5H2O，0.01g AlK(SO4)2*12H2O，0.01g H3BO3，0.025g Na2MoO4*2H2O，0.024g NiCl2*6H2O，0.025g Na2WO4*2H2O，余量为水。
实施例1：
本发明Geobacter sulfurreducens和Geobacter uraniireducens的培养
(1)将Geobacter sulfurreducens培养于pH为7.0的80mL NBAF培养基中，30℃恒温培养；Geobacter sulfurreducens购买于美国典型培养物保藏中心，保藏编号为ATCC51573D-5；将Geobacter uraniireducens培养于pH为7.0的80mL NBAF培养基中，30℃恒温培养；Geobacter uraniireducens购买于美国典型培养物保藏中心，保藏编号为ATCC BAA-1134；
(2)将Geobacter sulfurreducens、Geobacter uraniireducens培养至OD值为0.3。
本发明微生物燃料电池三电极体系的构建与产电考察
(1)选取100mL的双室三电极微生物燃料电池，选取10cm*5cm的石墨板作为阳极电极，利用4.5*4.5的质子交换膜将阴极室与阳极室隔开，每组实验做3个重复；
(2)向组装好并灭过菌的三电极微生物燃料电池中通入20％：80％的CO2与N2的混合气，然后分别给阳极与阴极换上80mL FWAN(FWNN中添加10mM乙酸钠)与80mL FWNN的电解液；然后向装满饱和氯化钾的盐桥中装上饱和甘汞电极，之后用封口膜将其封好；
(3)取10mL OD值达0.3的Geobacter sulfurreducens，将其加入到(2)的阳极室中，做3个重复；
(4)将(3)中的微生物燃料电池接入电化学工作站，并设置电压0.3V，采样间隔5s；
(5)每当微生物燃料电池的电流下降到10-4A时，将阳极的电解液在20％：80％的CO2与N2的混合气下换成新的FWAN电解液，每换一次液即为一个周期；
(6)在第六次换液后，分别取5mL OD值达0.3的Geobacter uraniireducens、用超声细胞破碎仪处理过的Geobacter uraniireducens及Geobacter sulfurreducens，分别加入阳极，形成对照；
用chi1000c或chi1040c采集的电流数据显示Geobacter sulfurreducens在前三周期的产电持续增加，然而从第四周期开始电流持续不断降低，第六周期电流达最小。第七周期开始时向阳极添加Geobacter uraniireducens后，电流显著升高，而添加灭活(超声处理的)的Geobacter uraniireducens及Geobacter sulfurreducens组的电流持续降低(图1)。
本发明向Geobacter sulfurreducens微生物燃料电池体系中加入Geobacteruraniireducens后的生物膜及未添加Geobacter uraniireducens的生物膜活性考察
(1)当第七周期的电流值达最大值时，取出阳极石墨板电极；
(2)将各组阳极电极用生理盐水轻轻冲洗两遍；取0.6mL生理盐水，并加各1μL的活死染料，混匀后滴加到阳极石墨板电极上，避光染色15分钟，然后用于激光共聚焦显微镜观察；
结果显示，加入Geobacter uraniireducens后的阳极生物膜活性非常好，呈现绿色，而未加入Geobacter uraniireducens组的阳极电极活性很差，电极附近及生物膜外侧均显现红色，可见有大量死菌堆积，然而生物膜厚度并未发生太大变化(图2)。
综上所述，本发明包括Geobacter sulfurreducens、Geobacter uraniireducens、三电极微生物燃料电池三个核心要素。该方法通过向Geobacter sulfurreducens微生物燃料电池运行后期添加电活性微生物Geobacter uraniireducens，使得该微生物生物燃料电池的产电性能得以维持甚至提高，并且能显著提高电活性微生物Geobactersulfurreducens细胞活性。该方法利用微生物诱导了Geobacter sulfurreducens持续产电的特性，促进了生物电化学系统的性能，并为研究生物电化学系统提供了一种全新的视角，将不断推进BESs的研究进程。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种诱导电活性微生物持续产电的方法，其特征在于，将硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）接种到微生物燃料电池的阳极室，在所述微生物燃料电池运行后期接种电活性微生物铀还原地杆菌（Geobacter uraniireducens）；所述硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）、铀还原地杆菌（Geobacter uraniireducens）在接种前均需培养至OD值为0.3以上；所述微生物燃料电池运行后期为微生物燃料电池的电流开始下降时；每当微生物燃料电池的电流下降到10-4A时，将阳极的电解液在CO2与N2的混合气下换成新的FWAN电解液，每换一次液即为一个周期，在第六次换液后加入电活性微生物铀还原地杆菌（Geobacter uraniireducens）；所述FWAN电解液的配方为0.25g/L的NH4Cl，0.06g/L的NaH2PO4·H2O，0.1 g/L 的KCl，2.5 g/L的NaHCO3，10 mL/L的DL微量元素溶液，10 mL/L的DL维生素溶液，10mM的乙酸钠，其余为水。
2.根据权利要求1所述的诱导电活性微生物持续产电的方法，其特征在于，所述微生物燃料电池为双室三电极微生物燃料电池。
3.根据权利要求2所述的诱导电活性微生物持续产电的方法，其特征在于：所述双室三电极微生物燃料电池的阳极为石墨板。
4.根据权利要求1所述的诱导电活性微生物持续产电的方法，其特征在于，所述硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）和所述铀还原地杆菌（Geobacter uraniireducens）在接种前单独培养于pH为7.0的NBAF培养基中，培养温度为30℃。
5.根据权利要求1所述的诱导电活性微生物持续产电的方法，其特征在于：所述CO2与N2的混合气中CO2与N2的体积比为20% ：80%。
CN202010344928.7A 2020-04-27 2020-04-27 一种诱导电活性微生物持续产电的方法 Active CN111613800B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010344928.7A CN111613800B (zh) 2020-04-27 2020-04-27 一种诱导电活性微生物持续产电的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010344928.7A CN111613800B (zh) 2020-04-27 2020-04-27 一种诱导电活性微生物持续产电的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111613800A CN111613800A (zh) 2020-09-01
CN111613800B true CN111613800B (zh) 2022-11-08

Family

ID=72201197

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010344928.7A Active CN111613800B (zh) 2020-04-27 2020-04-27 一种诱导电活性微生物持续产电的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111613800B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113502238B (zh) * 2021-06-03 2022-05-17 福建农林大学 一种电活性固氮菌剂及其制备方法与应用
CN113416667B (zh) * 2021-06-03 2022-05-10 福建农林大学 一种电活性固氮菌及其应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103337652A (zh) * 2013-06-14 2013-10-02 国家电网公司 一种新型燃料电池
CN111048816A (zh) * 2019-12-27 2020-04-21 福建农林大学 一种驱动非产电微生物产电方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1889297A (zh) * 2005-06-28 2007-01-03 北京科技大学 一种无介体微生物燃料电池
NL1035340C2 (nl) * 2008-04-24 2009-10-27 Stichting Wetsus Ct Of Excelle Inrichting en werkwijze voor het uitvoeren van een biologisch gekatalyseerde elektrochemische reactie.
WO2010017540A2 (en) * 2008-08-08 2010-02-11 University Of Massachusetts Geobacter strains that use alternate organic compounds, methods of making, and methods of use thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103337652A (zh) * 2013-06-14 2013-10-02 国家电网公司 一种新型燃料电池
CN111048816A (zh) * 2019-12-27 2020-04-21 福建农林大学 一种驱动非产电微生物产电方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Two Modes of Riboflavin-Mediated Extracellular Electron Transfer in Geobacter uraniireducens;Lingyan Huang et al;《Frontiers in microbiology》;20181127;第9卷;第2886页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111613800A (zh) 2020-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kokabian et al. Water deionization with renewable energy production in microalgae-microbial desalination process
Yee et al. Cultivating electroactive microbes—from field to bench
Nishio et al. Light/electricity conversion by a self-organized photosynthetic biofilm in a single-chamber reactor
Kiran et al. Microbial electroactive biofilms
Song et al. Biofilm matrix and artificial mediator for efficient electron transport in CO2 microbial electrosynthesis
Li et al. Simultaneous desalination and nutrient recovery during municipal wastewater treatment using microbial electrolysis desalination cell
Yan et al. The micro-niche of exoelectrogens influences bioelectricity generation in bioelectrochemical systems
Lu et al. Active harvesting enhances energy recovery and function of electroactive microbiomes in microbial fuel cells
Erable et al. First air-tolerant effective stainless steel microbial anode obtained from a natural marine biofilm
CN111613800B (zh) 一种诱导电活性微生物持续产电的方法
Zhou et al. Electron transfer of Pseudomonas aeruginosa CP1 in electrochemical reduction of nitric oxide
Al-Mayyahi et al. Unraveling the influence of magnetic field on microbial and electrogenic activities in bioelectrochemical systems: A comprehensive review
Guardia et al. Electrochemistry of R. palustris Azul during phototrophic growth
Xing et al. Hydrogen production from waste stream with microbial electrolysis cells
Shi et al. Stability improvement and the mechanism of a microbial electrolysis cell biocathode for treating wastewater containing sulfate by quorum sensing
Fernández-Marchante et al. Thermally-treated algal suspensions as fuel for microbial fuel cells
CN111048816B (zh) 一种驱动非产电微生物产电方法
Tou et al. Chlorophytum rhizosphere, a suitable environment for electroactive biofilm development
Yan et al. Comparative genomic analysis reveals electron transfer pathways of Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum: Insights into thermophilic electroactive bacteria
Guo et al. An electricity-generating bacterium separated from oil sludge microbial fuel cells and its environmental adaptability
US9506085B2 (en) Ammonia production using bioelectrocatalytical devices
Vijay et al. Electroactive biofilm and electron transfer in the microbial electrochemical system
Tang et al. Microbial-driven ectopic uranium extraction with net electrical energy production
RU2795937C2 (ru) Установка замкнутого биоэлектрохимического цикла для генерации энергии и способ генерации энергии микроорганизмами
Garlapati et al. Electroactive Biofilms (EAB): Role in a Bioelectrochemical System for Wastewater Treatment and Bioelectricity Generation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant