植物微生物燃料電池工藝條件優(yōu)化與電極微生物群落解析.pdf

1、植物微生物燃料電池(Plant Microbial fuel cell,PMFC)是將植物引入微生物燃料電池(MFC)系統(tǒng),植物光合作用后其根際分泌物直接作為電極微生物的電子供體,從而可持續(xù)再生電能的技術(shù)。為了完善PMFC技術(shù),進(jìn)一步提高系統(tǒng)效能,本研究優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)以及反應(yīng)器接種物、植物,探究了影響PMFC產(chǎn)電性能的因素,并對電極表面功能微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。
　　在微生物燃料電池基礎(chǔ)上探討了不同接種物對PMFC系統(tǒng)啟動與產(chǎn)

2、電的影響。反應(yīng)器運(yùn)行以1g/L乙酸鈉作為底物,分別選取生活廢水好氧處理池水樣(AERO)、生活廢水厭氧處理池水樣(ANAE)、土壤(SOIL)、底泥作為接種物(SEDI)。反應(yīng)器最大輸出電壓分別為AERO(0.493V)、SOIL(0.485V)、ANAE(0.508V)、SEDI(0.514V),以SEDI作為接種物在外負(fù)荷電阻為250W、電流密度為0.167mA/cm2時(shí),獲得最高功率密度為557.85mW/m2,其次分別為SOIL

3、(490.65mW/m2)、好氧處理池樣水(451.30mW/m2)、厭氧處理池水樣為(444.19mW/m2)。循環(huán)伏安法考察反應(yīng)器電化學(xué)活性顯示在-0.8V～0.2V有較高的電化學(xué)活性,以松花江底泥作為接種物時(shí)得到最高庫侖效率為29.2％。最終將反應(yīng)器的陽極生物膜用于通過高通量測序,并做細(xì)菌群落分析。通過以上分析,最終確定松花江底泥作為植物微生物燃料電池接種物。
　　在0.5W/m2、3.2W/m2、6.1W/m2三個(gè)不同光照

4、強(qiáng)度下,恒定溫度25℃,磷酸緩沖液濃度為25mM,功率密度隨著光照的增強(qiáng)而增加。0.5W/m2、3.2W/m2、6.1W/m2時(shí)測定的最高功率密度分別為64.74mW/m2、69.36mW/m2、97.21mW/m2。COD分別為152.8g/L、158.6g/L、276.8g/L,其變化趨勢與功率密度一致。光照強(qiáng)度的增加影響了植物根際分泌物的量增加,使得COD升高,從而功率密度變大。
　　在固定光照強(qiáng)度為6.1W/m2,緩沖液濃

5、度為25mM,25℃測定的最高功率密度為93.62mW/m2,20℃時(shí)測定的最高功率密度為89.28W/m2,30℃時(shí)最高功率密度為76.6640mW/m2。隨著溫度的升高其功率密度在升高,而溫度升高到適當(dāng)溫度,其功率不再升高,隨后會隨著溫度繼續(xù)升高而下降。COD分別為240g/L、224g/L、336g/L,與功率密度變化趨勢相同,說明COD變化是功率密度變化的直接原因。即是溫度變化會影響植物的光合作用,根部分泌的有機(jī)物質(zhì)濃度發(fā)生變化

6、。
　　實(shí)驗(yàn)中設(shè)置反反應(yīng)器1-植物+蛭石(PLANT)、反應(yīng)器2-植物+底泥(P+S)、反應(yīng)器3-底泥(SEDI)以及原始植物根部樣品(ROOT),反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后提取其陽極微生物DNA,高通量測序以分析其功能菌群變化。陽極微生物群落結(jié)構(gòu)結(jié)果表明植物微生物燃料電池反應(yīng)器中微生物來源于接種物的富集以及植物根部微生物。群落結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)主要優(yōu)勢微生物有Proteobacteria、Acidobacteria、Bacteroidetes、