微生物燃料電池對藜蘆醇和酸性紅的降解及菌落特性研究.pdf

1、隨著世界人口的增長和工化程度的提高,能源需求量日益增加,水污染狀況日趨嚴(yán)重；而微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)作為一種新型的生物反應(yīng)器,在處理污水的同時(shí)能產(chǎn)生電能,因此受到了廣泛的關(guān)注。
　　 木質(zhì)纖維素是自然界中的一種非常豐富且可再生的生物質(zhì)能,但是在生物預(yù)處理木質(zhì)纖維素過程中會產(chǎn)生一些副產(chǎn)物,如藜蘆醇等,在一定程度上影響了乙醇的產(chǎn)量,因此去除這些副產(chǎn)物是木質(zhì)纖維素制乙醇的一個(gè)關(guān)鍵的問題。人類所

2、面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)性問題就是水污染,幾乎所有的工業(yè)生產(chǎn),尤其是紡織工業(yè)在織物染色的過程中產(chǎn)生大量的染料廢水。
　　 因此本論文的研究目標(biāo)是,探討藜蘆醇和偶氮染料酸性紅B污染廢水在MFC中的降解、MFC用這些污染廢水用作燃料產(chǎn)電的可能性,以及對這些過程中相關(guān)機(jī)理和MFC中的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　 (1)構(gòu)建了雙室MFC以鐵氰化鉀作電子受體,接種后用濃度為1000 mg/L葡萄糖為基質(zhì)進(jìn)行馴化,當(dāng)輸

3、出電壓達(dá)到穩(wěn)定且可重復(fù)狀態(tài)時(shí),依次更換1000mg/L葡萄糖(fuel A)、1000 mg/L葡萄糖和50 mg/L藜蘆醇的混合物(fuel B)、500 mg/L葡萄糖和100 mg/L藜蘆醇的混合物(fuel C)、100 mg/L藜蘆醇(fuel D)、500 mg/L藜蘆醇(fuel E)。以葡萄糖為單一燃料時(shí)的最高輸出電壓在712～720mV,最大功率密度為42.24 W/m3,庫侖效率為4.02％；葡萄糖和藜蘆醇混合燃料的

4、最高輸出電壓在702～724 mV,最大功率密度為35.17 W/m3,庫侖效率為2.58～2.89％；當(dāng)以藜蘆醇為單一燃料時(shí),最高輸出電壓在125～196 mV之間,庫侖效率僅為0.92～0.98％。以混合燃料或藜蘆醇為單一燃料時(shí),藜蘆醇均能被完全去除,COD的去除率在81％～88％之間。循環(huán)伏安法測定生物膜微生物的電化學(xué)活性,結(jié)果顯示藜蘆醇對微生物的活性有抑制作用,尤其是以藜蘆醇為單一燃料時(shí)抑制作用比較明顯。采用PCR-DGGE對生

5、物膜細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)藜蘆醇的加入改變了生物膜的群落結(jié)構(gòu)；藜蘆醇為單一燃料時(shí)生物膜中優(yōu)勢菌分別與Geobacter sp、Winogradskyella sp.、Chlombium sp.、Sphingopyxis sp.等屬的同源性較高。
　　 (2)使用與上述同樣的雙室MFC,當(dāng)電壓輸出穩(wěn)定且可重復(fù)后,依次加入1000mg/L葡萄糖和100mg/L酸性紅B(fuelA)、1000mg/L葡萄糖和300mg/L酸性紅

6、B(fuel B)、1000 mg/L葡萄糖和500 mg/L酸性紅B(fuel C)及500 mg/L葡萄糖和500 mg/L酸性紅B(fuel D),fuel A～fuel C為燃料時(shí)最大輸出電壓隨著酸性紅B濃度的增加而降低,從689 mV減到553 mV；當(dāng)酸性紅B為500 mg/L不變而葡萄糖濃度減為500 mg/L(fuel D),輸出電壓減小到337 mV。Fuel A～fuelD的庫侖效率分別為2.64％、3.49％、4.

7、53％和2.85％,四種燃料中的最大輸出功率密度達(dá)119.72 W/m3,且隨著酸性紅B濃度增加而減小。循環(huán)伏安法分析結(jié)果顯示,酸性紅B對生物的電化學(xué)活性有抑制作用。酸性紅B的加入明顯改變了電極上生物膜微生物群落結(jié)構(gòu),酸性紅B和葡萄糖混合物為燃料時(shí)群落的優(yōu)勢菌分別與Geobacter sp.、Chlorobium sp、Bifissio sp.、Nitrospira sp.、Enterococcussp.、Empedobacter sp

8、.具有較高的同源性。
　　 (3)雙室MFC以葡萄糖為燃料進(jìn)行馴化達(dá)到穩(wěn)定后,加入1000 mg/L藜蘆醇和100mg/L酸性紅B混合燃料(fudA)運(yùn)行MFC,輸出最高電壓由原來的700 mV突然降至170 mV左右,再經(jīng)過約600 h的運(yùn)行,電壓逐步升至700 mV以上。待輸出電壓穩(wěn)定后繼續(xù)運(yùn)行fuel A,庫侖效率約為2.84％,獲得的最大功率密度為61.25 W/m3；藜蘆醇濃度不變,酸性紅B濃度增加到500 mg/L(

9、fuel B)時(shí),最高輸出電壓約為550 mV,庫侖效率為1.74％。周期結(jié)束時(shí)均未能檢測到藜蘆醇,酸性紅B的去除率都在92％以上,最高達(dá)到97％；COD的最終去除率在85％以上。由于偶氮染料不能被微生物作為生長的碳源,因此混合物中的藜蘆醇成了微生物生長代謝的碳源,效果與葡萄糖幾乎相同。
　　 (4)構(gòu)建單室空氣陰極MFC,分別以100 mg/L和500 mg/L藜蘆醇為單一燃料,進(jìn)行連續(xù)和間歇兩種模式運(yùn)行MFC。由連續(xù)運(yùn)行模式