定向優(yōu)選陽極微生物促進(jìn)生物電化學(xué)系統(tǒng)效能的研究.pdf

1、生物電化學(xué)系統(tǒng)(BioelectrochemicalSystems,BESs)利用微生物在陽極催化氧化反應(yīng),將電子傳遞到陰極進(jìn)行還原反應(yīng),從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。近幾年BESs的功能已經(jīng)拓展到不同的領(lǐng)域,例如生物產(chǎn)氫、有機(jī)物合成、金屬還原、脫鹽、以及廢水處理等。但無論BESs的目的如何,其陽極的半電池反應(yīng)都依賴于一類具有電化學(xué)活性的微生物。因此,優(yōu)化生物陽極的性能是提升BESs整體效能的關(guān)鍵之一。本研究深入探討功能微生物的定向富集、共生

2、群落的馴化和純培養(yǎng)陽極微生物的優(yōu)選,以期優(yōu)化陽極的性能,從而提高BESs的整體電化學(xué)性能。
　　首先建立了一種定向富集陽極功能菌群(Anodophilicconsortium,AC)提高電化學(xué)性能的方法。將用活性污泥為接種物培養(yǎng)出的原始陽極生物膜樣品倍比稀釋后,再將各個稀釋梯度的細(xì)胞懸浮液分別接種至無定形鐵培養(yǎng)基中培養(yǎng)。11天后,發(fā)現(xiàn)生成Fe(II)產(chǎn)物的培養(yǎng)物樣品的最高稀釋倍數(shù)為10-6,將其選擇作為篩選得到的陽極功能菌群(AC

3、),接種到下一代的BES的陽極。然后對分別接種了AC、原始生物膜和活性污泥的BES的性能進(jìn)行比較。接種AC的BES獲得的功率密度達(dá)226mW/m2和庫倫效率達(dá)34％,性能高于接種了原始生物膜的BES和新接種活性污泥的BES。AC作為接種物所需的啟動時間(60h)也比用其他接種物的(≥95h)短。這表明此富集方法能有效地獲得高效的陽極接種微生物,從而提高BES的性能并縮短啟動時間。
　　同時,提出了一種定向馴化電極共生互營微生物群落

4、的方法。通常認(rèn)為甲酸難以被陽極利用。通過設(shè)定不同的陽極電勢定向馴化電極共生互營微生物群落,提高產(chǎn)電困難的基質(zhì)(甲酸)在BES中的利用能力。本研究選擇了三種不同的陽極電勢即–0.30、–0.15和+0.15V(相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極),并用不控制陽極電勢的高阻值系統(tǒng)(1000?的外接電阻)作為對照。在陽極電勢被控制在–0.30V的條件下,反應(yīng)器沒有電流生成。而在高于乙酸氧化還原電勢(乙酸的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢為–0.28V)條件下,反應(yīng)器均有電流產(chǎn)

5、生,其中電勢控制在–0.15V的反應(yīng)器性能最優(yōu)。基于16SrRNA克隆文庫分析表明,陽極電勢控制在–0.15V的BES的陽極微生物群落主要由硫還原泥桿菌(Geobactersulfurreducens)和醋酸桿菌(Acetobacterium)組成。此外,在反應(yīng)器中都檢測到了作為中間產(chǎn)物的乙酸。這表明G.sulfurreducens是通過利用Acetobacterium轉(zhuǎn)化甲酸生成的乙酸為電子供體產(chǎn)生電流。隨后,所有的BES都連接一個固

6、定外加電阻運行。該阻值是反應(yīng)器獲得最大功率密度時所連的外接阻值。運行一個月后,所有的反應(yīng)器產(chǎn)生相似的功率密度,以上兩類優(yōu)勢菌屬在所有反應(yīng)器陽極微生物群落中所占的比率也趨于一致(約52%G.sulfurreducens和22%Acetobacterium)。這表明通過設(shè)定特定的陽極電勢可以強(qiáng)化形成BES中的陽極微生物中共生互營群落,從而提高反應(yīng)器利用甲酸的效率。
　　本文建立了一種優(yōu)選陽極功能微生物提高電化學(xué)性能的方法。以高電化學(xué)活

7、性的陽極生物膜為篩選菌源,以簡易高通量的Mine-MEC為篩選裝置,采用倍比稀釋法,分離得到具有高電化學(xué)活性的菌株SD-1。菌株SD-1是一株兼性厭氧、非發(fā)酵的、不運動的、革蘭氏陰性桿菌。16SrRNA鑒定表明菌株SD-1屬于泥桿菌屬(Geobacter),與該菌屬相似度最高的菌種是硫還原泥桿菌(G.sulfurreducens)。但是菌株SD-1在乙酸作為電子供體時不能利用延胡索酸和單質(zhì)硫生長。由于該菌株具有這一獨特的生理生化特性,表

8、明她不同于G.sulfurreducens,因而菌株SD-1應(yīng)是一個新種。作者將其命名為Geobactersp.nov.strainSD-1。作者以典型的陽極微生物G.sulfurreducensPCA、G.metallireducensGS-15和混合培養(yǎng)菌群作為對照,評價了菌株SD-1的電化學(xué)活性。在電流測試、循環(huán)伏安掃描和交流阻抗測試中,菌株SD-1接種形成的生物膜的電化學(xué)活性最高,或者與混合培養(yǎng)物的性能相當(dāng)。此外,菌株SD-1形