直接微生物燃料電池的構(gòu)建及初步研究

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1、第6卷第3期過程工程學(xué)報Vol.6No.32006年6月TheChineseJournalofProcessEngineeringJune2006直接微生物燃料電池的構(gòu)建及初步研究11222連靜，馮雅麗，李浩然，劉志丹，周良(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室，北京100080)摘要：利用Geobactermetallireducens能夠以Fe(OH)3固體作電子受體進(jìn)行呼吸的特性，用其構(gòu)建直接微生物燃料電池，初步考察了產(chǎn)電情況和產(chǎn)電原理.實驗證明，Geobacter

2、metallireducens直接微生物燃料電池的電能產(chǎn)出主要依賴于吸附在電極上的細(xì)菌.燃料醋酸鈉可以完全氧化至CO2，反應(yīng)結(jié)束后其濃度低于檢測下限(<10μmol/L).電子回收2率達(dá)80%，電流密度達(dá)704.4mA/m.關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；Geobactermetallireducens；生物膜；電子回收率中圖分類號：TM911.45文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009?606X(2006)03?0408?051前言接微生物燃料電池的研究尚未見報道.Geobactermetallireducens是一種異化還原菌，能夠微生物燃料電池是

3、指在微生物的催化作用下將化在無電子傳遞中間體的情況下以Fe(OH)3等固態(tài)物質(zhì)作學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它包含陰陽兩個極室，中間由[8]電子受體進(jìn)行無氧呼吸.利用電極與Fe(OH)3均為固質(zhì)子交換膜分隔開.燃料于陽極室中在微生物作用下被態(tài)的相似性，本實驗以電極作為G.metallireducens呼吸氧化，電子通過外電路到達(dá)陰極，質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜作用的最終電子受體，構(gòu)建直接微生物燃料電池，對其到達(dá)陰極，氧化物(一般為氧氣)在陰極得到電子被還原.產(chǎn)電情況和產(chǎn)電原理進(jìn)行了初步研究.根據(jù)電子傳遞方式的不同，可將微生物燃料電池分為直接和間接微生物

4、燃料電池.直接微生物燃料電池是指燃2實驗材料和方法料直接在電極上氧化，電子直接從燃料分子轉(zhuǎn)移到電2.1菌種及其培養(yǎng)條件極；間接微生物燃料電池的燃料不在電極上氧化，在別G.metallireducens購自德國菌種保藏中心(DSMZ處氧化后電子通過某種途徑轉(zhuǎn)移到電極上來.7210,ATCC53774).培養(yǎng)基成分為(g/L)：KCl0.1,由于大部分微生物不具有電化學(xué)活性，電子無法直接從微生物到達(dá)電極，所以很多微生物燃料電池都需要NH4Cl0.2,NaH2PO40.6,NaHCO32.5,Wolfe微量維生素混合液10mL/L,Wolfe微

5、量礦物元素混合液10mL/L，電子傳遞中間體的參與，即構(gòu)成間接微生物燃料電池.常用的電子傳遞中間體有硫堇[1]、AQDS[2]和中性紅[3,4]電子供體NaAc10mmol/L，調(diào)節(jié)pH值6.8~7.0.利用等.微生物燃料電池中引入電子傳遞中間體在一定程度N2?CO2混合氣(80:20,?,下同)除去滅菌前培養(yǎng)基中的上可提供有效的電子傳遞通道，但卻增大了電子傳遞的氧氣后，分裝入?yún)捬跖囵B(yǎng)管中，121℃滅菌15min，在距離，其總體效果仍然不佳，并且很多電子傳遞中間體厭氧培養(yǎng)箱中進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)接等操作，整個過程嚴(yán)格厭[9,10]有毒且易分解.所

6、以間接微生物燃料電池一直未被廣泛氧培養(yǎng).電子受體Fe(OH)3100mmol/L滅菌后加入.2+使用.培養(yǎng)溫度30℃.細(xì)菌接入電池之前，為了除去Fe或3+近年來，國外陸續(xù)發(fā)現(xiàn)幾種特殊的細(xì)菌，可在無電Fe離子對電極反應(yīng)可能的干擾，將細(xì)菌從以Fe(OH)3子傳遞中間體存在的條件下，將電子直接傳遞給電極產(chǎn)作電子受體的培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)入以富馬酸鈉作電子受體的生電，構(gòu)成直接微生物燃料電池.這類細(xì)菌有Shewanella培養(yǎng)基中，培養(yǎng)4代后，取對數(shù)生長期后期菌液，按10%[5][6]接入陽極室.陰陽兩極室的溶液成分與培養(yǎng)基稍有不putrefaciens,G

7、eobacteraceaesulferreducens,Rhodoferax[7]同，兩極室各加入電解質(zhì)NaCl2.9g/L，陰極需要用pHferrireducens等.雖然這種類型的微生物燃料電池得以成功構(gòu)建，但微生物與電極間的胞外電子傳遞機制，7.0的Tric?HCl作緩沖溶液，陽極繼續(xù)用NaHCO3的緩以及吸附在電極上的細(xì)菌和懸浮在溶液中的細(xì)菌分別沖體系，陰極不加電子供體，陽極需加入電子供體(燃對電能輸出所起的作用尚未解釋清楚.目前國內(nèi)關(guān)于直料)NaAc.收稿日期：2005?07?01，修回日期：2005?07?29基金項目：國家自

8、然科學(xué)基金資助項目(編號：20476009)作者簡介：連靜(1981?)，女，山西省忻州市人，碩士研究生，生物化工專業(yè)；李浩然，通訊聯(lián)系人，E-mail:hrli@home.ipe.ac.cn