沉積物燃料電池的構(gòu)建及其菌群分析.pdf

1、二十一世紀(jì)全球面臨的能源短缺與環(huán)境污染問題已日益嚴(yán)重，亟需找到新的方法尋求解決，而微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)技術(shù)可以將這兩大難題結(jié)合起來解決。MFC技術(shù)是一類通過產(chǎn)電細(xì)菌的代謝活動(dòng)將從底物（生物質(zhì)）中蘊(yùn)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它構(gòu)造簡(jiǎn)單、原料廣泛、成本低廉，越來越得到全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注。但其輸出功率很低、不穩(wěn)定，離實(shí)際應(yīng)用還有很大差距。目前最可能在短期內(nèi)投入實(shí)際應(yīng)用的是沉積型微生物燃料電池(S

2、ediment Microbial Fuel Cell，SMFC)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原料成本低廉、接近自然水體，可以應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)偏遠(yuǎn)海域中的低能耗傳感器、湖泊底泥修復(fù)等。國(guó)外已有一些利用海洋、淡水湖泊底泥構(gòu)建的SMFC的報(bào)道，而我國(guó)在這方面起步較晚，相關(guān)SMFC的報(bào)道非常少，研究不深入，所采用的微生物多是從國(guó)外購(gòu)買的純培養(yǎng)菌株，對(duì)產(chǎn)電菌種的篩選和鑒定研究甚少。
　　 傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)法只能反映極少數(shù)微生物的信息，不能充分了解環(huán)境中微生

3、物的生態(tài)功能，也無法全面地估價(jià)其中微生物群體的多樣性?，F(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)在生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用大大推動(dòng)了微生物生態(tài)學(xué)的發(fā)展，彌補(bǔ)了經(jīng)典微生物技術(shù)在生物多樣性研究中引起的種群丟失、種群結(jié)構(gòu)不清等局限性，使人們可以避開傳統(tǒng)的分離培養(yǎng)過程而直接探討自然界中微生物的種群結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境的關(guān)系，可以更可靠、更直接地反映微生物多樣性在生態(tài)系統(tǒng)中原始構(gòu)成情況。
　　 本論文基于建立一個(gè)沉積物燃料電池系統(tǒng)，模擬淡水湖泊底泥，研究其產(chǎn)電性能，分析菌群

4、結(jié)構(gòu)組成、變化，探討對(duì)產(chǎn)電性能的影響。正文部分的前兩章成功構(gòu)建了一個(gè)沉積物燃料電池SMFC，第三、四章確定應(yīng)用于SMFC菌群分析的分子生物學(xué)方法，并對(duì)其菌群進(jìn)行分析研究，第五章從SMFC陽極表面分離出五株純菌，進(jìn)行菌種鑒定，并研究其產(chǎn)電性能，分析其對(duì)SMFC產(chǎn)電的影響。主要的研究?jī)?nèi)容有:
　　 (1)構(gòu)建并啟動(dòng)SMFC裝置，為風(fēng)渦輪供電驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。確定SMFC的構(gòu)型和材料，搭建裝置;啟動(dòng)并記錄SMFC產(chǎn)電情況，正常運(yùn)行數(shù)月，記錄

5、了其產(chǎn)電特性。SMFC在啟動(dòng)后近20天時(shí)，系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，在33天后達(dá)到最高電壓290mV，功率密度可達(dá)到10.42 mW/m2。
　　 (2)確定微生物群落研究的方法，包括取樣、提取DNA、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)擴(kuò)增、變性梯度凝膠電泳(Denaturing Gradient Electrophoresis，DGGE)檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)參數(shù)和具體方法。確定了選取SMFC中6個(gè)不同位置的

6、樣本Y1:陰極，Y2:陽極，Y3:水，Y4:淺層泥樣(距泥層表面約2cm)，Y5:深層泥樣(距泥層表面約5cm)，Y6:魚缸濾網(wǎng)部位的泥樣。提取基因組DNA，PCR擴(kuò)增16S rDNA的V3區(qū)片段，用8％(w/v)1.5mm厚的聚丙烯酰胺凝膠，線性濃度梯度為35％-65％，電泳75V60℃18h分離相同長(zhǎng)度的不同DNA片段。
　　 (3)用上述方法研究本SMFC系統(tǒng)中微生物群落的特性，探討微生物群落的構(gòu)成、變化和產(chǎn)電機(jī)制。SMF

7、C中不同位置樣本的微生物種類具有明顯差異性，相似度在0.51-0.87之間，其中水樣和淺層泥樣中微生物最接近相似度為0.87，而濾網(wǎng)處的微生物與其他位置樣本的微生物差異最大。此外，從樣本的DGGE凝膠中回收出5個(gè)特異條帶，經(jīng)過測(cè)序，序列與GenBank中已登錄的已知細(xì)菌的同源性≥98％，可知Pseudomonas geniculata strain CH-X彎曲假單胞菌(Z1)和木糖氧化無色桿菌Achromobacter xylosox

8、idans strain NSBx.33(HE2)(Z2)是陰極上的微生物，Bacillus amyloliquefaciens strain HR62解淀粉芽孢桿菌(Z3)是陽極上的微生物，Acinetobacter sp.Bap30不動(dòng)桿菌(B3)是濾網(wǎng)泥樣上的微生物，Lactobacillus acetotolerans耐酸乳桿菌(Ll)是水樣中的微生物。
　　 (4)從SMFC陽極表面的沉積物中分離出五株純菌，進(jìn)行了種屬

9、鑒定、比對(duì)可知分別屬于Stenotrophomonas maltophilia嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌，Achromobacter xylosoxidans木糖氧化無色桿菌，Bacillus subtilis strain CJ-H-TSA1枯草芽孢桿菌，Acinetobacter calcoaceticus醋酸鈣不動(dòng)桿菌，Beta proteobacterium TB9β-變形菌。再用單腔三電極電化學(xué)裝置研究這五株純菌的產(chǎn)電能力，與已知的產(chǎn)電