悬浮型微生物—电化学系统中电化学特性及微生物活性的研究

发布时间：2020-07-10 21:14

【摘要】：本文针对微生物-电化学研究领域内微生物燃料电池产电效率的限制因素以及微生物与电极间相互作用的问题,开展了悬浮型微生物-电化学系统的电化学特性及微生物活性的研究。构建了微型MFC、H型MFC以及悬浮型(流动电极)MFC三种微生物燃料电池反应器,分别测定稳定条件下的最大电能输出,进而分析了 MFC产电能力的内在影响因素。除此之外,还研究了直流电场对悬浮态希瓦氏菌(产电菌)及大肠杆菌(非产电菌)细胞活性与理化性质的影响,并通过电化学分析方法探究了希瓦氏菌(产电菌)及大肠杆菌(非产电菌)细胞在直流电场下的电阻及电容特性。微型MFC、H型MFC以及悬浮型(流动电极)MFC最大功率密度分别为1420mW/m2、370mW/m2、3050mW/m2,内阻分别为640Ω、1120Ω、46Ω。本实验条件下,流动电极型MFC在投加质量分数15%的活性炭、质量分数1%的炭黑时产电性能最优。在本试验中未发现流速(2mL/min～6mL/min)大小对系统内阻及产电能力产生显著影响。通过对希瓦氏菌(产电菌)和大肠杆菌(非产电菌)在不同强度电场下生长速率差异的比较分析,发现直流电场能提高微生物的生长速率,且细菌在阴阳两极的生长速率出现明显差异。大肠杆菌在阴极生长更多,而希瓦氏菌在阳极生长更多。其次在通路与断路状态下培养基pH值的变化情况存在明显差异。无论是以希瓦氏菌(产电菌)还是大肠杆菌(非产电菌)作为菌种,活化内阻都占据了总内阻的很大比重,且阻值均随时间下降,阳极电容均随时间增加,阳极电容与电阻呈负相关关系。希瓦氏菌BES的活化内阻、欧姆内阻和总内阻均明显低于大肠杆菌BES的对应阻值。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4
【图文】：

得到很高的重视。在厌氧条件下可以通过外加介体产生电流，能利用自身分泌的三种电逡逑活性代谢物质穿过不同孔径的滤膜实现和生物电化学系统阳极间电子传递。逡逑图１．３大肠杆菌逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ邋ｃｏｌｉ逡逑希瓦氏菌广泛地存在于各种水体和沉积物环境当中，是一种兼性厌逡逑氧的革兰氏阴性菌。由于希瓦氏菌多样化的呼吸作用，所以其可以利用多种物质作为电逡逑子受体，通过多种方式进行胞外电子传递。在有氧条件下，乳酸和丙酮酸＠－６４］可以被希逡逑瓦氏菌彻底氧化为Ｃ０２；在厌氧条件下［６５］希瓦氏菌以甲酸、乳酸、丙酮酸、氢气和氨基逡逑酸作为电子供体。希瓦氏菌还能够在无需氧化还原介质的条件下氧化乳酸产电，从而可逡逑以设计出无介体的高性能生物电化学系统。希瓦氏菌细胞外膜［６６］上的细胞色素ｃ能够直逡逑接将电子传递给胞外的Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｍｎ（ＩＶ）、Ｕ（ＶＩ）等电子受体。逡逑ｍ逡逑图１．４希瓦氏菌逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ逡逑

以设计出无介体的高性能生物电化学系统。希瓦氏菌细胞外膜［６６］上的细胞色素ｃ能够直逡逑接将电子传递给胞外的Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｍｎ（ＩＶ）、Ｕ（ＶＩ）等电子受体。逡逑ｍ逡逑图１．４希瓦氏菌逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ逡逑

原介体转移给阳极，再从外电路转移到阴极；在阴极区电子将电子受体（如氧）还原，逡逑然后和透过质子互换膜（ＰＥＭ）转移过来的质子转化为水［１Ｑ３＿１Ｑ５］。微生物燃料电池的工逡逑作原理如图１．５所示。逡逑逦—逡逑，逦１逦Ｉ逡逑ｏｕｔｌｅｔ邋ｏｘｉｔｔｏｌｗｉｓ逦ｏｕｔｌｅｔ逡逑逦逦邋．＿＿邋ｐｒｏｄｕｃｔｓ邋ｒ＋ｉ逦＾逡逑ｉｆｆ逦ｒｅｄａｃｔ邋Ｓｏｔ邋ｊ逦：逡逑：＾邋—Ｉｆ逡逑＿邋＼！３逡逑ＬＴｊ邋．．－ｆｌ逡逑ｔｏｌｅｔ邋＞逦ＭＫ４＊＂邋Ｕ．逦／逦一邋ｉｎｌｅｔ逡逑Ｈ１￣￣—邋－逦Ｈｆ邋ｏｘｉｄａｎｔ逡逑图１．５微生物燃料电池工作原理逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．５邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｂｉａｌ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌ逡逑ＭＦＣ最基本的形式是利用微生物通过有机物质氧化产生电流。在ＭＦＣ中微生物氧逡逑化有机物，细胞外的电子经由细胞膜转移到电极表面［１°６，１（）７］。有机物被微生物氧化释放逡逑出电子，生成阳离子。电子经由外电路转移到阳极，然后到阴极。质子徖移到阴极并联逡逑合电子和氧气产生水。因此，电流以类似于化学燃料电池的方式产生，但微生物在阳极逡逑表面起催化剂作用。催化剂在反应中起到催化作用，加速反映进行，而其自身不受化学逡逑反应影响。ＭＦＣ中的微生物不是真正的催化剂，因为它们从基质的氧化中获得能量，逡逑以支持自身生长并产生能量损失。ＭＦＣ中的微生物可以从复杂的有机物质的氧化中获逡逑得细胞生长所需的全部能量和碳，因此ＭＦＣ技术被认为是可自我维持能量的技术。只逡逑要条件有利于阳极相关微生物的产生

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