生態(tài)條件對微生物燃料電池產(chǎn)電效能及陽極群落結(jié)構(gòu)影響.pdf

1、微生物燃料電池(Microbialfuelcells,MFCs)可以將有機物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,實現(xiàn)了污染物降解并且同步產(chǎn)電。在MFC反應(yīng)系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)對產(chǎn)電效能具有決定性的影響。然而,目前對產(chǎn)電功能微生物種群互作關(guān)系以及產(chǎn)電菌的產(chǎn)電機制等理論研究尚不夠深入。本文通過將不同底物類型下運行的MFC反應(yīng)器產(chǎn)電能力進行比較,并利用DGGE和高通量測序技術(shù)對陽極功能菌群進行分析,確定重要的功能微生物;分析陽極功能微生物群落結(jié)構(gòu)與反

2、應(yīng)器產(chǎn)電效能的關(guān)系,揭示反應(yīng)器中陽極功能菌群的生態(tài)分布規(guī)律。
　　本研究以Shewanellasp.HN-41為產(chǎn)電菌株構(gòu)建單室和雙室MFCs,開展產(chǎn)電微生物利用不同發(fā)酵類型的碳源以及在不同模式的反應(yīng)器中的電子傳遞能力的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Shewanellasp.HN-41有能力利用乳酸和葡萄糖作為唯一碳源進行生長,并且在微生物燃料電池中表現(xiàn)出電化學(xué)特性。菌株HN-41在單室MFC以乳酸作為碳源產(chǎn)生的最大功率密度為71.6mW/m2,

3、而以葡萄糖作為碳源僅產(chǎn)生18.2mW/m2。此外,該菌株在這兩種底物下均表現(xiàn)出較強的Fe(III)還原能力。并在MFC系統(tǒng)中能夠分泌黃素單核苷酸(FMN)、核黃素和黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。反應(yīng)器中加入外源核黃素和FMN后,反應(yīng)器功率密度呈現(xiàn)了2-5倍的增長。因此,本研究對于菌株HN-41耦合葡萄糖氧化產(chǎn)電能力的發(fā)現(xiàn)拓寬了對Shewanella碳代謝認識。
　　利用可溶性三價鐵的投加實現(xiàn)Shewanellaoneidensis

4、MR-1菌株的產(chǎn)電能力強化。Fe(III)在生物膜的形成過程中起到重要的作用。投加6mM的Fe(III)時,微生物燃料電池產(chǎn)生的最大功率密度達到最大158.1mW/m2,而未投加的鐵的對照反應(yīng)器僅產(chǎn)生73.9mW/m2。在缺乏鐵的情況下運行反應(yīng)器,形成成熟的生物膜后補充Fe(III),反應(yīng)器功率的輸出呈現(xiàn)一個明顯的增加。有鐵存在的反應(yīng)器陽極生物膜生物量高于缺鐵反應(yīng)器。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Fe(III)的優(yōu)化濃度能夠顯著提高菌株MR-1的電化學(xué)活性,

5、并且可以通過促進黃素的分泌提高菌株胞外電子傳遞能力。
　　針對單室MFC反應(yīng)器通過高通量測序技術(shù),探討在純底物(葡萄糖)模式下運行反應(yīng)器陽極生物膜群落構(gòu)成與MFC產(chǎn)電性能以及陽極溶液pH之間的關(guān)系,對陽極溶液不同pH(初始pH5.0-10.0)進行調(diào)試,找出MFC最佳運行模式下的pH值。并研究發(fā)現(xiàn)陽極溶液pH9.0時,MFC最大輸出功率密度為10.15±0.67W/m3,過高或者過低的pH均能導(dǎo)致MFC電能輸出的降低。利用454焦

6、磷酸測序技術(shù)對細菌16SrRNA基因進行擴增,揭示pH對陽極生物膜群落結(jié)構(gòu)的影響。pH為中性或者堿性時,陽極群落多樣性較強,產(chǎn)電菌所占相對豐富度較高。產(chǎn)酸發(fā)酵菌作為互養(yǎng)微生物能夠代謝葡萄糖產(chǎn)生有機酸進而被產(chǎn)電菌所利用。
　　針對蛋白類廢棄物的復(fù)雜碳源轉(zhuǎn)化,微生物燃料電池能夠有效地去除氮并且同時生產(chǎn)電能。通過對陽極生物膜群落互作模式深度解析產(chǎn)電微生物間接利用蛋白質(zhì)進行產(chǎn)電的功能菌群結(jié)構(gòu)。本研究在MFC系統(tǒng)中實現(xiàn)了利用大豆廢棄物進行產(chǎn)

7、電,產(chǎn)生的最高電壓分別為558±4mV(豆粕)和502±12mV(豆渣)。豆粕總的化學(xué)需氧量和總氮的去除率分別為74.2％和91.1%高于豆渣。16SrRNA基因的高通量測序分析揭示陽極微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)電微生物主要屬于Geobacter屬,在豆粕和豆渣反應(yīng)器中分別占有49.96%和52.83%。此外,在陽極生物膜中檢測到Proteiniphilum、Petrimonas、Azospira以及Acidovorax等蛋白

8、質(zhì)降解菌。因此,研究結(jié)果揭示在處理復(fù)雜含氮化合物時產(chǎn)電菌和蛋白質(zhì)降解菌間存在互養(yǎng)關(guān)系。
　　MFC實現(xiàn)了直接利用甜菜渣等復(fù)雜的木質(zhì)纖維素產(chǎn)電。通過陽極生物膜群落互作模式的研究,深度解析產(chǎn)電微生物間接利用木質(zhì)纖維素進行產(chǎn)電的功能菌群結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)甜菜渣不同的預(yù)處理方式對MFC電能輸出的影響,證實堿處理(369±23mW/m2)和未處理(351±20mW/m2)的甜菜渣產(chǎn)生的最大功率密度高于酸處理(244±4mW/m2)。陽極微生物群