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。為了完善PMFC技術,進一步提高系統(tǒng)效能,本研究優(yōu)化反應器的設計以及反應器接種物、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構進行解析。
　　在微生物燃料電池基礎上探討了不同接種物對PMFC系統(tǒng)啟動與產(chǎn)

2、電的影響。反應器運行以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作為接種物在外負荷電阻為250W、電流密度為0.167mA/cm2時,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)伏安法考察反應器電化學活性顯示在-0.8V～0.2V有較高的電化學活性,以松花江底泥作為接種物時得到最高庫侖效率為29.2％。最終將反應器的陽極生物膜用于通過高通量測序,并做細菌群落分析。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/m2三個不同光照

4、強度下,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而增加。0.5W/m2、3.2W/m2、6.1W/m2時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℃時測定的最高功率密度為89.28W/m2,30℃時最高功率密度為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,根部分泌的有機物質濃度發(fā)生變化

6、。
　　實驗中設置反反應器1-植物+蛭石(PLANT)、反應器2-植物+底泥(P+S)、反應器3-底泥(SEDI)以及原始植物根部樣品(ROOT),反應器運行穩(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。陽極微生物群落結構結果表明植物微生物燃料電池反應器中微生物來源于接種物的富集以及植物根部微生物。群落結構解析發(fā)現(xiàn)主要優(yōu)勢微生物有Proteobacteria、Acidobacteria、Bacteroidetes、