CN112162013A - 监测直接种间电子传递的微生物燃料电池及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，所述阳极室中安装阳极，所述阴极室中安装阴极，所述阳极室和阴极室之间用质子交换膜隔开，所述阳极和阴极之间通过导线串联外接电阻。使用该微生物燃料电池能够实现快速直观的观测微生物之间的直接种间电子传递，操作简单，直观性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测直接种间电子传递的微生物燃料电池及应用方法，属于微生物技术领域。
背景技术
微生物种间电子传递是指电子供体微生物与电子受体微生物之间通过直接或间接方式传递电子形成互营生长关系，从而共同完成单一微生物不能完成的代谢过程的现象。微生物种间电子传递在厌氧消化产甲烷、甲烷厌氧氧化、微生物脱氯等重要环境过程中发挥重要作用，具有重大应用潜力，近年来受到广泛关注。
目前发现的微生物种间电子传递方式分为间接种间电子传递和直接种间电子传递。间接种间电子传递一般需要氢、甲酸、核黄素等作为电子载体，能量消耗大；直接种间电子传递是指微生物间通过纳米导线、氧化还原蛋白、导电颗粒等进行直接电子交换，能量消耗低，电子传递效率高。微生物直接种间电子传递方式的发现改变了微生物互营代谢必须依赖氢/甲酸等能量载体的传统认识。如果能以直接可观性强的方式观察微生物之间的直接电子传递，就可以快速高效的筛选出能量消耗低、电子传递效率高的电子互营菌群，加深对微生物种间电子传递的认识，为理解微生物种间电子传递在自然界碳氮等元素循环、温室气体排放、污染物降解等关键生物地球化学过程中的作用，并将其用于实际应用如厌氧消化产甲烷、甲烷厌氧氧化、微生物脱氯等。
但是，在现有技术中尚未发现有可用来快速直接监测微生物直接种间电子传递的方法。
发明内容
本发明提供了一种监测直接种间电子传递的微生物燃料电池及应用方法，可以有效解决上述问题。
本发明是这样实现的：
一种监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，所述阳极室中安装阳极，所述阴极室中安装阴极，所述阳极室和阴极室之间用质子交换膜隔开，所述阳极和阴极之间通过导线串联外接电阻。
作为进一步改进的，所述阳极和阴极均为石墨板电极。
作为进一步改进的，所述石墨板电极的尺寸为4-5cm×4-5cm。
作为进一步改进的，所述外接电阻0.5-2MΩ。
一种监测微生物直接种间电子传递的方法，应用上述的监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，包括以下步骤：
S1，向所述阳极室和阴极室中装入培养基；将电子供体微生物接种于所述阳极室，将电子受体微生物接种于所述阴极室；将外源电子供体加入阳极室，将外源电子受体加入阴极室；
S2，在一定条件下培养一段时间后，检测所述外接电阻两端的电压，根据电压大小判断微生物间的电子传递情况。
作为进一步改进的，所述外源电子供体为乙醇，所述外源电子受体为富马酸。
作为进一步改进的，所述乙醇的终浓度为15-25mM，所述富马酸的终浓度为35-45mM。
作为进一步改进的，所述电子供体微生物为Geobacter metallireducens，电子受体微生物为Geobacter sulfurreducens。
作为进一步改进的，所述Geobacter metallireducens和Geobactersulfurreducens在接种前需要用生理盐水洗菌。
作为进一步改进的，所述Geobacter metallireducens和Geobactersulfurreducens的接种量为1-5％v/v，接种菌液OD600值为0.1-0.3。
本发明的有益效果是：
本发明采用质子交换膜隔开阳极室和阴极室，阻断了传统种间氢或甲酸转移，以及氧化还原穿梭体介导的微生物种间电子传递，通过检测外接电阻两端的电压，就能够实现快速直观的观测微生物之间的直接种间电子传递，直观性强，操作简单，适用性广，可大规模推广应用。
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是本发明实施例提供的监测直接种间电子传递的微生物燃料电池的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的电子传递直观产电图。
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。
本发明提供一种监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，所述阳极室中安装阳极，所述阴极室中安装阴极，所述阳极室和阴极室之间用质子交换膜隔开，所述阳极和阴极之间通过导线串联外接电阻。向所述阳极室和阴极室中装入培养基；将电子供体微生物接种于所述阳极室，将电子受体微生物接种于所述阴极室；将外源电子供体加入阳极室，将外源电子受体加入阴极室；在一定条件下培养一段时间后，检测所述外接电阻两端的电压，根据电压大小即可直观地判断微生物间的电子传递情况。应用该微生物燃料电池观察微生物的直接种间电子传递的直观性强，操作简单，适用性广，可大规模推广应用。
作为进一步改进的，所述阳极和阴极均为石墨板电极。石墨电极属于惰性电极，相比金属电极更具电化学稳定性；并且石墨电极具有吸附性，便于细菌附着在表面并形成生物膜进行电子传递。
作为进一步改进的，所述石墨板电极的尺寸为4-5cm×4-5cm。电极的具体尺寸可根据装置大小进行调整。
作为进一步改进的，所述外接电阻0.5-2MΩ。在此电阻范围内，微生物燃料电池的电流大小合适，便于检测电阻两端的电压。
本发明还提供一种监测微生物直接种间电子传递的方法，应用上述的监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，包括以下步骤：
S1，向所述阳极室和阴极室中装入培养基；将电子供体微生物接种于所述阳极室，将电子受体微生物接种于所述阴极室；将外源电子供体加入阳极室，将外源电子受体加入阴极室；
S2，在一定条件下培养一段时间后，检测所述外接电阻两端的电压，根据电压大小判断微生物间的电子传递情况。
该方法能够直观地观察微生物的直接种间电子传递，操作简单，可以快速高效的筛选出能量消耗低、电子传递效率高的电子互营菌群，加深对微生物种间电子传递的认识，为理解微生物种间电子传递在自然界碳氮等元素循环、温室气体排放、污染物降解等关键生物地球化学过程中的作用，并将其用于实际应用如厌氧消化产甲烷、甲烷厌氧氧化、微生物脱氯等。
作为进一步改进的，。所述外源电子供体为电子供体微生物提供电子，电子通过微生物间直接电子传递传递到电子受体微生物，再将电子传递到所述外源电子受体，形成完整的电子传递链。所述外源电子供体优先为乙醇，但不限于此，所述外源电子受体优选为富马酸，但不限于此。
作为进一步改进的，所述乙醇的终浓度为15-25mM，所述富马酸的终浓度为35-45mM。在此浓度下，能保证具有充足的电子进行传递，形成稳定的电子传递链。
作为进一步改进的，所述电子供体微生物和电子受体微生物为配对的微生物，之间能够发生直接种间电子传递。例如，电子供体微生物为Geobacter metallireducens，电子受体微生物为Geobacter sulfurreducens。通过选用不同的微生物，可以检测不同微生物之间的直接电子传递情况，进而筛选出能量消耗低、电子传递效率高的电子互营菌群。
所述Geobacter metallireducens和Geobacter sulfurreducens在接种前需要用生理盐水洗菌，减少菌体沾染其他杂菌的几率，保证检测的准确性。
作为进一步改进的，所述Geobacter metallireducens和Geobactersulfurreducens的接种量为1-5％v/v，接种菌液OD600值为0.1-0.3，在此OD600和接种量的情况下，能保证微生物的在所述微生物燃料电池中具有良好的生长情况，利于监测其直接电子传递。
实施例1
如图1所示，一种监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，所述阳极室中安装阳极，所述阴极室中安装阴极，所述阳极室和阴极室之间用质子交换膜隔开，所述阳极和阴极之间通过导线串联外接电阻。所述阳极和阴极均为石墨板电极。所述石墨板电极的尺寸为4.5cm×4.5cm。所述外接电阻1MΩ。
实施例2
(1)将Geobacter metallireducens(购自美国模式培养物集存库，保藏编号为ATCC-53774)和Geobacter sulfurreducens(购自美国模式培养物集存库，保藏编号为ATCC-51573)分别以5％(v/v)接种至柠檬酸铁培养基和乙酸培养基中，30℃恒温培养；
(2)当步骤(1)中的Geobacter metallireducens和Geobacter sulfurreducens生长至对数后期，以转速7000r/min离心10min得到菌沉淀，再用0.9％生理盐水洗菌三次，最终用0.5％生理盐水稀释菌沉淀是菌液OD600值为0.2。
(3)取2％(v/v)步骤(2)中Geobacter metallireducens和Geobactersulfurreducens菌液分别接种至装有无机基础培养基的微生物燃料电池阳极室和阴极室(实施例1制备的)，并在阳极室加入外源电子供体乙醇，使其终浓度为20mM，在阴极室加入富马酸，使其终浓度为40mM。
(4)将微生物燃料电池放置在30℃恒温条件下进行培养。
(5)采用数据采集器对微生物燃料电池的外接电阻的两端电压进行检测，即可对阳极室和阴极室中微生物之间的种间电子传递进行监测。
实验结果如图2所示，由图2可知，在Geobacter metallireducens和Geobactersulfurreducens能够进行电子传递时，数据采集器能采集到两端的电压，说明该方法可以用于监测Geobacter metallireducens和Geobacter sulfurreducens之间的直接种间电子传递。
表1培养基的组成
*每升1mM Na2SeO4溶液中含有0.189g Na2SeO4，余量为水。
**每升10×DV溶液中含有0.02g生物素，0.05g维生素B5，0.001g维生素B12，0.05g对氨基苯甲酸，0.05g硫辛酸，0.05g烟酸，0.05g维生素B1，0.05g核黄素，0.1g维生素B6，0.02g叶酸，余量为水。
***每升NB mineral溶液中含有2.14g C6H9NO6，0.1g MnCl2·4H2O，0.3g FeSO4·7H2O，0.17g CoCl2·6H2O，0.2g ZnSO4·7H2O，0.03g CuCl2·2H2O，0.005g KAl(SO4)2·12H2O，0.005g H3BO3，0.09g NaMoO4·2H2O，0.11g NiSO4·6H2O，0.02g NaWO4·2H2O。
****每升100×NB salt溶液中含有42g KH2PO4，22g K2HPO4，20g NH4Cl，38g KCl，36g NaCl，余量为水。
实施例3
为了分析监测Geobacter metallireducens和Geobacter sulfurreducens间直接种间电子传递的可靠性，还进行了对照实验，包括无菌阳极加无菌阴极、无菌阳极加Geobacter sulfurreducens、Geobacter metallireducens加无菌阴极。无菌阳极加无菌阴极即阳极室和阴极室均不接种微生物，其他操作同实施例2；无菌阳极加Geobactersulfurreducens即阳极室不接种微生物但阴极室接种Geobacter sulfurreducens，其他操作同实施例2；Geobacter sulfurreducens加无菌阴极即阳极室接种Geobactersulfurreducens但阴极室不接种微生物，其他操作同实施例2。经监测结果显示，上述三组对照实验未监测到电压，表明了本发明的可靠性。
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 (10)
1.一种监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，所述阳极室中安装阳极，所述阴极室中安装阴极，其特征在于，所述阳极室和阴极室之间用质子交换膜隔开，所述阳极和阴极之间通过导线串联外接电阻。
2.根据权利要求1所述的监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，其特征在于，所述阳极和阴极均为石墨板电极。
3.根据权利要求3所述的监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，其特征在于，所述石墨板电极的尺寸为4-5cm×4-5cm。
4.根据权利要求1所述的监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，其特征在于，所述外接电阻0.5-2MΩ。
5.一种监测微生物直接种间电子传递的方法，其特征在于，应用权利要求1至4任一项所述的监测直接种间电子传递的微生物燃料电池，包括以下步骤：
S1，向所述阳极室和阴极室中装入培养基；将电子供体微生物接种于所述阳极室，将电子受体微生物接种于所述阴极室；将外源电子供体加入阳极室，将外源电子受体加入阴极室；
S2，在一定条件下培养一段时间后，检测所述外接电阻两端的电压，根据电压大小判断微生物间的电子传递情况。
6.根据权利要求5所述的监测微生物直接种间电子传递的方法，其特征在于，所述外源电子供体为乙醇，所述外源电子受体为富马酸。
7.根据权利要求6所述的监测微生物直接种间电子传递的方法，其特征在于，所述乙醇的终浓度为15-25mM，所述富马酸的终浓度为35-45mM。
8.根据权利要求7所述的监测微生物直接种间电子传递的方法，其特征在于，所述电子供体微生物为Geobacter metallireducens，电子受体微生物为Geobactersulfurreducens。
9.根据权利要求8所述的监测微生物直接种间电子传递的方法，其特征在于，所述Geobacter metallireducens和Geobacter sulfurreducens在接种前需要用生理盐水洗菌。
10.根据权利要求7所述的监测微生物直接种间电子传递的方法，其特征在于，所述Geobacter metallireducens和Geobacter sulfurreducens的接种量为1-5％v/v，接种菌液OD600值为0.1-0.3。
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