費(fèi)講馳， 滕 瑤， 熊利芝， 吳玉先， 陳義光， 何則強(qiáng)

(吉首大學(xué) 生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 湖南 吉首 416000)

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微生物燃料電池中假單胞菌F026的產(chǎn)電性能研究

費(fèi)講馳， 滕 瑤， 熊利芝， 吳玉先， 陳義光， 何則強(qiáng)*

(吉首大學(xué) 生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 湖南 吉首 416000)

基于微生物燃料電池的反應(yīng)裝置，從污水處理廠曝氣池的污泥中通過富集，篩選和基于16S rRNA基因序列的系統(tǒng)發(fā)育分析等手段馴化出1株高效產(chǎn)電假單胞菌F026。以F026為陽極產(chǎn)電菌制作微生物燃料電池，考察了底物種類、溫度和pH值等因素對微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)026最適合在以可溶性淀粉為底物，pH為中性偏堿性，溫度在30～35 ℃的環(huán)境下生長。在此條件下，微生物燃料電池的最高電壓達(dá)到500 mV，體積功率密度達(dá)到2 W/m3。

微生物燃料電池；產(chǎn)電菌；產(chǎn)電性能；假單胞菌

據(jù)統(tǒng)計，世界人口已經(jīng)突破70億，比19世紀(jì)末期增加了2倍多，而能源消費(fèi)量卻增加了16倍多。無論是通過利用太陽能[1]還是節(jié)約能源[2]，哪一種常規(guī)的能源結(jié)構(gòu)都無法滿足人類對能源的需求，人類所面臨的能源危機(jī)都將日趨嚴(yán)重。因此，新能源的開發(fā)與利用成為焦點(diǎn)。近年來，迅速發(fā)展起來的一種融合了污水處理和生物產(chǎn)電的新技術(shù)——微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)受到了廣泛關(guān)注，其主要技術(shù)特點(diǎn)是能夠在處理污水的同時獲取電能[3-4]。MFC研究初期，主要針對有膜、間接、雙池型電池開展微生物和中間篩選等方面的研究，電池輸出功率一直較低(小于100 mW/m2)。1999年，Kim等[5]首次發(fā)現(xiàn)有些微生物在代謝過程中可將電子直接傳遞到電極表面。2004年，Jang[6]和Liu等[7]直接以混合菌分別成功構(gòu)建了無中間體無質(zhì)子交換膜MFC，電池輸出功率達(dá)到了526 mW/m2，立即引起更多人對MFC的關(guān)注，也引發(fā)了以混合菌接種MFC的研究熱潮[8]。近幾年，隨著直接將電子傳遞給固體電子受體的純培養(yǎng)菌種的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家發(fā)明了無需使用電子傳遞中間體的微生物電池，其中所使用的菌種可以將電子直接傳遞給電極而產(chǎn)生持續(xù)高效穩(wěn)定的電流。特別是美國科學(xué)家Bruce Logan的同步廢水處理和微生物發(fā)電的研究，給MFC的研究注入新的活力，引起了世界各國科學(xué)家的高度關(guān)注[9]，我國也有相關(guān)的研究報道[10]，但針對MFC工藝設(shè)計及運(yùn)行條件優(yōu)化等研究仍需深入。本研究自湖南省吉首市大田灣污水處理廠曝氣池的污泥中篩選出一批高效產(chǎn)電微生物[11]，并在優(yōu)勢菌屬中選擇假單胞菌F026作為微生物燃料電池的陽極產(chǎn)電菌，對影響微生物燃料電池產(chǎn)電性能的因素進(jìn)行了研究，得到了優(yōu)化的產(chǎn)電工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 MFC反應(yīng)裝置的構(gòu)建 實(shí)驗(yàn)裝置為自行設(shè)計的H型雙室微生物燃料電池[12]，如圖1所示。該裝置由陽極室、陰極室、質(zhì)子膜組件、硅膠墊圈、緊固螺栓和底座構(gòu)成，裝置陰陽兩極室容積均為125 mL，陰陽電極材料均為碳布，有效面積為25 cm2。陰陽極室之間以質(zhì)子交換膜(Nafion 117，Dupont)隔開，質(zhì)子交換膜的有效面積為16 cm2。在陽極室和陰極室的圓筒上部分別設(shè)有帶密封塞的取樣孔、曝氣孔，并配備電流、電壓、溫度等在線監(jiān)測控制裝置、曝氣裝置。質(zhì)子交換膜使用之前需要依次在30% H2O2、去離子水、0.5 mol/L H2SO4及去離子水中各煮沸1 h，然后保存在去離子水中備用[13]。

電極使用之前的預(yù)處理[14]：①切割：將厚度為0.6 cm的碳布切割成5 cm×5 cm；②丙酮清洗：將要使用的碳布浸沒在丙酮溶液中，并用玻璃棒將碳布固定于溶液中直到?jīng)]有氣泡產(chǎn)生，丙酮完全進(jìn)入碳布的毛細(xì)管中，24 h后取出，用大量高純水清洗干凈；③干燥恒重：將碳布轉(zhuǎn)入烘箱中105 ℃烘烤2 h，轉(zhuǎn)入干燥器冷卻0.5 h，稱重。重復(fù)上述操作，直至每克碳布質(zhì)量相差不超過0.000 3 g，最后用密封袋密封轉(zhuǎn)入干燥器中保存以供后續(xù)使用。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

1：陽極；2：陰極；3：曝氣頭；4：封蓋；5：質(zhì)子交換膜

1：anode；2：cathode；3：aerator；4：seal-capping；5：PEM

1.1.2 菌株的來源 在圖1所示的裝置中，將污水處理廠曝氣池取來的污泥上清液作為菌源，加入陽極液和陰極液，待其中的菌株進(jìn)行富集。當(dāng)電壓達(dá)到250 mV以上，并持續(xù)一段時間保持不變，且具有下降的趨勢時，在超凈工作臺中將陽極室拆開，取出陽極碳布，用無菌水沖洗。然后用梯度稀釋法對其中的菌株進(jìn)行篩選，經(jīng)過7代純化后得到52株菌株，進(jìn)行基于16S rRNA 基因序列的系統(tǒng)發(fā)育分析，得到1株高效產(chǎn)電菌F026。該菌株在系統(tǒng)發(fā)育樹上與已知的高效產(chǎn)電菌銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)[1-16]的自展值為100%，相似度達(dá)到97.14%，因此對此菌株進(jìn)行電化學(xué)性能的研究。

1.1.3 試劑與儀器 萬用表(UT800，優(yōu)利德)，pH計，PCR儀(PE29600，BIO-RAD公司)，PCR引物(上海生工生物工程有限公司合成)，其他常用試劑及儀器均由邵陽科儀購入。

1.2 方法

1.2.1 菌懸液的制備 在離心管中裝入滅菌后的NB培養(yǎng)基，將培養(yǎng)好的純菌株挑入離心管中進(jìn)行培養(yǎng)。每個離心管中裝有20 mL的NB培養(yǎng)基，挑入純菌株培養(yǎng)48 h后，9 000 r/min離心10 min去上清液，倒入陽極緩沖溶液20 mL，設(shè)定同樣的速率和時間進(jìn)行離心，去上清液后加入適量的陽極緩沖溶液，將菌濃度調(diào)至6×1011個 /mL以備后續(xù)試驗(yàn)使用。

1.2.2 不同底物及培養(yǎng)液的制備 將陽極裝有菌懸液的MFC分別放在5種不同底物中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄各種條件下MFC電壓數(shù)據(jù)，考察底物對F026菌株產(chǎn)電性能的影響，得出最適宜F026生長的底物。實(shí)驗(yàn)中采用的5種底物分別是乙酸鈉、葡萄糖、庶糖、D-木糖和可溶性淀粉。底物質(zhì)量濃度為8 g/L。陽極室緩沖溶液：12.8 g/L Na2HPO4，3 g/L KH2PO4，0.5 g/L NaCl，1.0 g/L NH4Cl；陰極電解質(zhì)溶液：12.8 g/L Na2HPO4，3 g/L KH2PO4，0.01 mol/L K3Fe(CN)6。

1.2.3 溫度對MFC產(chǎn)電特性的影響 在15～45 ℃之間分別取20、25、30、35和40 ℃等5個溫度點(diǎn)，然后將MFC在不同溫度條件下運(yùn)行，通過觀察并記錄MFC的產(chǎn)電特性，考察F026最合適的生存溫度。

1.2.4 pH對MFC產(chǎn)電特性的影響 由1.2.2和1.2.3篩選出MFC產(chǎn)電量最優(yōu)的底物和最適宜的溫度。在此條件下制成陽極緩沖溶液，并用1 mol/L NaOH 和1 mol/L HCl 調(diào)節(jié)pH 值為6、7、8 和9?？疾觳煌釅A條件下MFC的產(chǎn)電特征，最終判斷F026最適宜生存的pH值。

1.2.5 分析方法 每隔60 s通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄電壓U值于PC機(jī)，通過歐姆定律計算得到電流。計算MFC的體積功率密度P(mW/m3)：

式中，U為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的電壓值(mV)，R為外電路電阻(Ω)，V為陽極室的有效體積(m3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同底物對MFC產(chǎn)電特性的影響

底物對微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響見圖2。由圖2可知，底物不同，MFC的輸出電壓及電壓維持穩(wěn)定的時間均不相同。底物為可溶性淀粉時MFC的最高電壓可達(dá)440 mV；底物為乙酸鈉時MFC的最高電壓雖然只有260 mV，但其穩(wěn)定性最強(qiáng)，MFC電壓在250 mV上下波動的時間長達(dá)40 h；而底物為蔗糖、葡萄糖和D-木糖時MFC的最高電壓也分別達(dá)到了160、192和158 mV。在所選的5種底物中，啟動最快、最為穩(wěn)定的是乙酸鈉溶液，此時MFC的功率密度為540.8 mW/m3。電壓最高的是可溶性淀粉，MFC的功率密度達(dá)到1 550 mW/m3。

圖2 底物對微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響Fig.2 Effect of different substrates on the electricity generation characteristics of MFC

以乙酸鈉作為底物的MFC的產(chǎn)電高穩(wěn)定性與其本身具有的性質(zhì)有一定關(guān)系。乙酸鈉是一類弱酸強(qiáng)堿性鹽，化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，水解后溶液呈堿性，Puig等[17]指出MFC中陽極堿性基質(zhì)有利于電能的產(chǎn)生，所以乙酸鈉也表現(xiàn)出較高的電壓值，并且產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定時間較長?？扇苄缘矸鬯獾蕉请A段是麥芽糖，完全水解后得到的是葡萄糖，所以在發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的過程中能為假單胞菌F026提供充足的能量，且可溶性淀粉水解后具有較強(qiáng)的粘性，保證了更多的菌株富集到碳布電極上，因此MFC表現(xiàn)出了較高的電壓值。2012年，Lee等[18]也對銅綠假單胞菌做過相關(guān)研究報道，其最大功率密度達(dá)到40 mW/m3。

2.2 溫度變化對MFC產(chǎn)電特性的影響

溫度對微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響見圖3。實(shí)驗(yàn)采用可溶性淀粉為底物，pH為7。

圖3 溫度對微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響Fig.3 Effect of different temperatures on the electricity generation characteristics of MF

圖4 35 ℃下微生物燃料電池的產(chǎn)電性能Fig.4 The electricity generation characteristic of MFC at 35 ℃

由圖3可見，不同溫度下MFC的產(chǎn)電性能有明顯的差異：在20 ℃和25 ℃時MFC的最高電壓分別是315 mV和336 mV，表明盡管溫度升高時電壓增加不是很大，但卻呈現(xiàn)上升趨勢，因此需要繼續(xù)加溫，以觀察電壓的變化。在30 ℃時，電壓出現(xiàn)了一個比較大的漲幅，最高電壓達(dá)到432 mV，與中低溫(20～25 ℃)階段相比較，電壓增加了近100 mV。35 ℃時，由圖4 可見，最高電壓已超過500 mV，且電壓的穩(wěn)定時間相比30 ℃時延長1倍，功率密度達(dá)到2 000 mW/m3。但當(dāng)繼續(xù)加溫至40 ℃時，最高電壓卻不足150 mV(見圖3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明：F026發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的最適溫度在30～35 ℃之間。溫度過低時菌株活性不強(qiáng)，不能達(dá)到最大的產(chǎn)電量；而溫度過高將超過菌株的生物耐受限度，反而降低了菌株的活性，影響MFC的產(chǎn)電性能。

2.3 pH對MFC產(chǎn)電特性的影響

圖5 pH值對微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響Fig.5 Effect of different pHs on the electricity generation characteristics of MFC

pH對微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響見圖5。實(shí)驗(yàn)采用可溶性淀粉為底物，將溫度設(shè)定為35 ℃。由圖5可看出，不同pH下MFC電壓的差異性：pH為6和9時，MFC電壓值都相對較低，為250 mV左右；pH為7時，MFC電壓能達(dá)到450 mV左右；而pH為8時，MFC電壓最高達(dá)到500 mV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在中性偏堿性的環(huán)境中，最適合產(chǎn)電菌F026的生存，且MFC的電壓能達(dá)到500 mV以上。

Puig等[17]指出MFC中陽極堿性基質(zhì)有利于電能的產(chǎn)生，這與Pseudomonas屬的F026適合在堿性環(huán)境下生存相吻合。而當(dāng)pH為9時，電壓反而下降，說明過堿性的基質(zhì)不利于F026產(chǎn)生電能。根據(jù)生態(tài)學(xué)中的Shelford 耐性定律，同溫度因子一樣，pH作為限制因子也存在生物耐受范圍，該因子的量不足或過多都會對微生物的生存產(chǎn)生一定的影響，表現(xiàn)在MFC的產(chǎn)電性能上就是電壓值的變化。

3 討 論

以F026為陽極產(chǎn)電菌制作MFC，考察了底物種類、運(yùn)行溫度和pH值對MFC產(chǎn)電性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：乙酸鈉、葡萄糖、庶糖、D-木糖和可溶性淀粉5種底物中，F(xiàn)026在可溶性淀粉為底物的MFC中產(chǎn)電功率密度最大為1 550 mW/m3。因此，依據(jù)碳源對MFC的產(chǎn)電性能的影響規(guī)律，生活污水和食品加工行業(yè)廢水均可作為F026的底物利用MFC產(chǎn)生電能。MFC在15～45 ℃范圍內(nèi)運(yùn)行時，F(xiàn)026最適生存溫度在30～35 ℃之間，在35 ℃運(yùn)行時，MFC的最高電壓可達(dá)500 mV。陽極液的酸堿度對MFC產(chǎn)電性能有重要影響，F(xiàn)026最適合在中性偏堿性的環(huán)境下生存。以F026為陽極產(chǎn)電菌的MFC的最優(yōu)運(yùn)行條件：以可溶性淀粉作為底物，運(yùn)行溫度為35 ℃，pH為中性偏堿性。在此條件下MFC的電壓可達(dá)到500 mV，功率密度可達(dá)到2 000 mW/m3。

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Electricity Generation Performances of Pseudomonas F026 in Microbial Fuel Cell

FEI Jiang-chi, TENG Yao, XIONG Li-zhi, WU Yu-xian, CHEN Yi-guang, HE Ze-qiang

(Coll.ofBiol.Res. &Environm'l.Sci.,JishouUni.,Jishou,Hunan416000)

An efficient electrogenic bacteriaPseudomonasF026 was domesticated by enriching and screening based on the reaction equipment of microbial fuel cell from the aeration tank of sewage treatment, and based on phylogenetic analysis of 16S rRNA gene sequences and other means. The effects of substrate forms, temperature, pH, and other factors on electricity generation performances of the microbial fuel cell making F026 as an anode were investigated. The results showed that the optimal growing conditions for F026 were: soluble starch as substrate, under environment pH at neutral-meta-alkaline, and temperature range of 30～35 ℃. Under these conditions, the voltage of the microbial fuel cell could reach as high as 500 mV and the power density was as high as 2 W/m3.

microbial fuel cell; electrogenic bacterium; electrogenic performance;Pseudomonas

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(5126200，51202087，51364009)；湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(12JJ2005)；湖南省教

費(fèi)講馳 男，碩士研究生。研究方向?yàn)槲廴旧鷳B(tài)學(xué)。E-mail：45356142@qq.com

2014-01-27；

2014-05-07

Q939.1

A

1005-7021(2015)01-0035-05

10.3969/j.issn.1005-7021.2015.01.007

育廳項(xiàng)目(12A109，13K094)；湖南省科技計劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2012GK2017)；湖南省生態(tài)學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(JSU0713)

滕瑤 女，碩士研究生。研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)學(xué)。

* 通訊作者。男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楣δ懿牧吓c廢物資源化利用。E-mail：csuhzq@163.com