蛞蝓体内共生细菌的分离鉴定及其在微生物燃料电池中的应用研究

发布时间：2020-09-27 16:54

　　人口的增加和能源需求的快速增长导致不可再生化石燃料的快速消费和严重的环境污染。清洁和可持续能源技术的发展已变得非常关键和紧迫。微生物燃料电池(MFC)是一种清洁能源技术,其利用微生物的生理功能对各种底物进行代谢,微生物作为催化剂促进MFC底物的降解发电。特别是在水污染治理中,MFC的应用具有特殊的意义,因为它既能处理污染废物,又能生产电能,其过程实现了可持续循环,因此其潜在的广泛应用在研究和开发中受到了极大的关注。如上所述,MFC的性能和特性应与所用微生物的生理特性密切相关,并且通常主要取决于微生物的生物电化学活性。因此,对具有良好生物电催化活性的生物燃料电池中的共生微生物的分离和筛选是探索高性能微生物燃料电池的良好研究方向。自然界中大量多样的微生物种群为本研究提供了便利和丰富的微生物来源。特别是动物体内微生物种群丰富多样,一些动物的特殊生理习性甚至与微生物在其体内共生的特殊生理过程有关。因此存在分类产电细菌的潜力。本研究的重点是寻找良好的细菌,寻找MFC生物催化剂。原菌群样品是由一只鼻涕虫(重庆市北北区西南大学崇德湖捕获)经无菌处理后获得,记录为KY-2细菌菌群。对特异性细菌进行了分离、鉴定,并在MFC中进行了电催化实验。本文工作主要包括以下几个部分:(1)本研究通过选择以小型动物体内共生菌群为来源,经过筛选,从蛞蝓体内筛选出了相对于其他样品具有更高产电活性的细菌菌群,命名为KY-2混菌。该菌群在产电过程中能够在微生物燃料电池的阳极上大量富集细菌生物膜。且阳极生物膜的SEM图细菌的形态和KY-2细菌在LB固体培养皿生长的单菌落的形态都可以看出该菌群中包括多种细菌,但是只要一种形态的细菌出镜率最高。而经过对KY-2的原始菌群样品、MFC双室全池放电后的阳极液样品,MFC双室全池放电后长有生物膜的碳布阳极样品进行宏基因组学上的分析,证实了上述出镜率最高的细菌为Bacillis菌属的细菌。并且通过对该菌在三个样品的宏基因组学上得出的细菌丰度(占总细菌数量的比例)结果的分析,最终认定了该Bacillis菌属的细菌在KY-2的产电过程占据主导地位。(2)通过针对性地分离上述出镜率最高的细菌,记为KY-2-22。通过对其16SrDNA细菌鉴定技术和其基因的系统发育树的构建,证明了KY-2-22菌株为Bacillis菌属,并且它在系统发育树上与MH061189.1 Proteobacteria bacterium strain B154菌株最为接近。此外,通过对比KY-2-22菌株和KY-2菌群的产电能力和电化学行为,发现而二者的趋势具备高度的一致性,且KY-2-22的单菌的表现相对KY-2菌群的表现要更好。而经过对KY-2-22单独的电化学表征分析,推断其产电过程所表现出的电化学行为为表面控制过程。进一步研究发现,KY-2-22菌株在MFC中的阳极能够富集产生大量的生物膜,同样也能够在液体培养后,以菌液静置于室温6h的条件下,在气液界面形成一层白色的生物膜。KY-2-22的这种生物膜在成型后,可以直接被用来进行微生物燃料电池的装配。其产电能力基本与KY-2-22的常规MFC相当,并且其电化学行为分析同样的表现为表面控制的过程。——从而,更加证实了KY-2-22菌株能够在产电时进行表面控制的电化学过程,也更突显处理KY-2-22作为新发现的产电菌株的特殊性。而KY-2-22菌株在气液界面形成的生物膜的电化学活性和产电活性都要优于细菌希瓦氏CN32菌株放电后的阳极生物膜,从而证明了KY-2-22特别产生的这种气液界面生物膜具有优异的性能。以至于,证明了本研究的分离筛选出的KY-2-22是一株新的特殊产电细菌,该菌能够进行表面控制电化学行为实现产电,同时还能够在菌液静置室温的条件下大量生成优异性能的产电生物膜。本文最后简要地总结了这一结论,并展望了从动物身上分离出的细菌的应用前景。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM911.45;X172
【部分图文】：

微生物燃料电池,基本结构

图 1.1 微生物燃料电池的基本结构由于阳极室中的细菌代谢活性（即还原反应，同时产生电子和质子），以及阴极中的电子受体条件（通过膜分离），生物电位的发展导致了 MFC 中的生物电的产生[17,18]。在阳极室中，电化学活性微生物可以向阳极提供电子，阳极通过氧化有机/无机废物（例如燃料）释放电子，从而产生能源[19]。使用乙酸盐作为燃料源的阳极室中的电化学活性细菌发生氧化反应的示例可概括为[20]：CH3COO-+4H2O→2HCO3-+9H++8e-Logan 等先前将能够提供电子的电化学活性微生物定义为产电微生物[20]。而能够接受电子的微生物被称为外电生物[21,22]。通过阳极中的电化学活性细菌产生的质子通过半电池分离器（例如质子交换膜（PEM））扩散到阴极室中。而在阴极室中，由于氧的丰度和高还原电位，氧主要用作氧化剂[21,22]。然而，由于观察到高的电位和低动力学，氧还原反应（ORR）仍然是制约进一步优化和改进 MFC 结构的瓶颈因素之一[21,23]。其他研究表明金属氧化剂在阴极室中的应用，

穿梭机,外膜,纳米,电子

交换电子（或电子等价物）。这种穿过细胞外壳的电子交换通常被称为细子转移（EET）。微生物电催化的许多最新研究表明，无论是在环境应用的生物降解，还是在可持续和环保工业中化学品的电化学合成中，都具有潜力[44-48]。一种广泛应用的微生物电催化模型是微生物燃料电池（MFC回收和废水处理为重点），其中某些微生物氧化电子供体，然后将释放的移到 MFC 阳极，从而产生流向阴极的电流[20]。此外，还发现阴极处的其物可减少电子受体，例如金属离子、硝酸盐或高氯酸盐，以催化细胞内代]。 MFC 外，微生物电催化可能涉及其他应用模型，如微生物电解电池、微阳能电池或微生物植物燃料电池，但所有这些都依赖于类似的 EET[52]。T 过程将微生物学、电化学、环境工程、能源和材料科学的跨学科基础研污染物的生物修复、废物回收、可再生能源生产、生物处理和纳米材料开起来。微生物电催化在这些不同领域的生物技术应用已经被许多评论所讨-54]。本综述将重点介绍在不同氧化还原介质的支持下如何进行 EET，其进助于更好地理解此过程的机制，并将大大改善上述所有应用。

技术路线图,技术路线

图 1.3 技术路线本论文的研究内容包括：（1）本研究通过选择以小型动物体内共生菌群为来源。经过筛选，从蛞蝓（如图 1.3 所示）体内筛选出了相对于其他样品具有更高产电活性的细菌菌群，命名为KY-2。该菌群在产电过程中能够在微生物燃料电池的阳极上大量富集细菌生物膜。且阳极生物膜的 SEM 图细菌的形态和 KY-2 细菌在 LB 固体培养皿生长的单菌落的形态都可以看出该菌群中包括多种细菌，但是只要一种形态的细菌出镜率最高。而经过对 KY-2 的原始菌群样品、MFC 双室全池放电后的阳极液样品，MFC 双室全池放电后长有生物膜的碳布阳极样品进行宏基因组学上的分析，证实了上述出镜率最高的细菌为 Bacillis 菌属的细菌。并且通过对该菌在三个样品的宏基因组学上得出的细菌丰度（占总细菌数量的比例）结果的分析，最终认定了该 Bacillis 菌属的细菌在 KY-2 的产电过程占据主导地位。（2）通过针对性地分离上述出镜率最高的细菌，记为 KY-2-22。通过对其 16S-rDNA细菌鉴定技术和其基因的系统发育树的构建，证明了 KY-2-22 菌株为 Bacillis

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