微生物燃料电池的产电代谢及菌群解析

发布时间：2017-03-29 14:23

  本文关键词：微生物燃料电池的产电代谢及菌群解析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微生物燃料电池(MFC)可通过微生物电子传递机制将有机物的化学能转化为电能,被认为是集污水处理与能源再生于一体的生物电化学系统。然而目前MFC最大输出电压和电流都仍较低,难以满足实际需要。要实现MFCs大规模实际应用还有很多理论和技术难题需要研究解决。由于在MFC系统中产电微生物是最为核心的要素,在有机废物的处理过程中,有机物作为底物被发酵细菌和产电细菌利用,阳极生物膜上的群落结构和种群类型对于有机物的降解和电能的产生有着极大的影响,因此开展产电微生物的代谢机制研究和阳极室的群落结构解析显得尤为重要。实验采用两瓶型微生物燃料电池(MFC),以葡萄糖为基质,对MFC内的发酵产物和参与的细菌进行了分析,探讨了微生物发酵与产电之间的关系。与此同时解析了种泥、电极生物膜、阳极液微生物的群落结构,最后分析了MFC产电机制。论文获得的主要研究结果如下:(1)为快速启动反应器,以驯化多年的高活性厌氧污泥为接种微生物,阴极以50m M的铁氰化钾为电极受体,经过约20天的时间启动成功,最高电压约为570m V,并对培养条件进行简单优化得,基质COD浓度为1000 mg?L-1、温度为35℃时是该反应器的较优条件。(2)以葡萄糖为基质产电的过程中,葡萄糖被发酵成乙酸、丙酸、乳酸三种主要产物。乙酸和丙酸都可以直接被微生物利用产电,乙酸更易被产电微生物利用,且能产出较高电压;乳酸需经过进一步发酵转化为丁酸、丙酸和乙酸,丁酸经进一步代谢为乙酸和丙酸后才能被用于产电。(3)阳极液中的氧化还原电位(ORP)分为三个阶段:第一,当氧化还原电位开始下降时,微生物开始发酵有机物,但是代谢产物含量并不高,此时电压处于起始阶段;第二,氧化还原电位开始升高,电压也开始升高,发酵代谢产物较多,产电微生物利用挥发性有机酸使电压也开始升高;第三,氧化还原电位升高,电压开始下降,此时COD下降,挥发性有机酸也相应下降。(4)阳极表面生物膜里紧密聚集着大量杆菌,主要有Klebsiella sp.(克雷伯氏菌属)、Citrobacter sp.(柠檬酸杆菌属)、Lactococcus sp.(乳球菌属)、Enterobacter sp.(肠杆菌属)及Proteobacterium近缘菌,而培养液底泥中的优势菌为Yokenella sp.(预研菌属)、Eubacterium limosum(粘液真杆菌)、Firmicutes bacterium(厚壁菌门)近缘菌。这些与接种污泥中的优势菌Lactococcus sp.(乳球菌属)、Peptostreptococcaceae(消化链球菌)、Clostridiales(梭菌目)、Salmonella sp.(沙门氏菌属)近缘菌有所不同。(5)MFC产电是由发酵菌联合产电菌通过梯次降解基质、分步利用、协同代谢的结果。产电菌的复配及产电菌与非产电菌之间的优化组合可为提高MFC产电提供方向。在种泥和阳极生物膜的优势菌中均包括乳球菌(Lactococcus sp.)。该菌在非MFC系统中和MFC系统后的呼吸方式是否存在差异,对该问题的揭示将有助于今后人们对产电呼吸的认识。(6)阳极液中的微生物参与电子介体的分泌可以提高生物膜与电极之间的电子传递效率。运用三维荧光(3DEEM)对阳极液进行扫描发现,主要存在的是溶解性微生物代谢产物、腐殖酸类物质,且大致趋势都是先降低再升高再降低的,与电压先升高,保持一段时间的高电压平台再降低的的总趋势具有一定的相关性。其中腐植酸可以促进底物释放出的电子向阳极电极转移。
【关键词】：微生物燃料电池 氧化还原电位 代谢产物 种群分析 产电机制
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;TM911.45
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1. 绪论10-18
• 1.1 研究背景10
• 1.2 微生物燃料电池的基本原理概述10-11
• 1.3 关于产电菌呼吸作用的简述11-12
• 1.4 阳极室产电菌的电子传递机制12-15
• 1.4.1 细胞色素传递机制12-13
• 1.4.2 纳米导线传递机制13-14
• 1.4.3 电子介体穿梭机制14-15
• 1.5 阳极微生物的代谢过程及群落15-17
• 1.5.1 阳极微生物的代谢过程15-16
• 1.5.2 阳极微生物群落的研究进展16-17
• 1.6 课题研究意义与内容17-18
• 1.6.1 课题的研究目的及意义17
• 1.6.2 本课题研究内容17-18
• 2. 实验材料与方法18-30
• 2.1 试验装置18-19
• 2.2 实验废水与接种污泥19-20
• 2.3 实验药品及仪器20-21
• 2.4 实验指标测定方法21-30
• 2.4.1 电学相关物理量的测定和计算21-23
• 2.4.2 其他指标的测定23-24
• 2.4.3 微生物的测定方法24-30
• 3. MFC的启动、优化及产电与微生物代谢的耦合关系解析30-43
• 3.1 反应器的启动及基本的条件的优化30-35
• 3.1.1 反应器的启动30-32
• 3.1.2 浓度、温度对MFC的产电性能的影响32-35
• 3.2 微生物代谢与产电之间的耦合关系35-39
• 3.3 产电与氧化还原电位（ORP）之间的关系39-42
• 3.4 小结42-43
• 4. MFC中阳极室中的微生物分析43-49
• 4.1 电极表面生物膜的形态分析43-44
• 4.2 MFC阳极室及种泥的微生物群落特征分析44-48
• 4.2.1 PCR-DGGE44-46
• 4.2.2 测序结果分析46-48
• 4.3 小结48-49
• 5. 混合菌MFC产电机制的探讨49-58
• 5.1 阳极室底泥及与生物膜对产电贡献的比较分析49-51
• 5.2 三维荧光对阳极溶液中的物质进行分析51-55
• 5.3 微生物在MFC中进行胞外电子传递的作用研究55-57
• 5.4 小结57-58
• 6. 结论58-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-70
• 附录 攻读硕士期间发表论文70

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