微生物燃料电池利用养殖废水产电特性、微生物群落分析及产电菌分离

论文摘要

微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物氧化有机底物同时产生电流,将化学能转化为电能的新兴技术。养殖废水是一种典型的高浓度有机废水,本研究以空气阴极单室MFC为模型,探讨了该模型利用养殖废水产电同时净化水质的效果,研究了MFC阳极生物膜的微生物分子系统发育多样性,筛选、考察了产电微生物菌株及其产电潜力。主要成果如下:（1）以养殖废水的厌氧活性沼泥为接种物,以载铂碳纸为阴极、碳毡为阳极,构建了序批式空气阴极单室MFC。结果表明,以葡萄糖为底物时,两个MFC的稳定输出电压分别达到0.514 V和0.527 V（20 d,外阻500Ω）。逐渐加大养殖废水在底物中的比例,直至全部为养殖废水原水。此时,采用稳态放电法度量的两个MFC的内阻分别为169Ω和178Ω,最大功率密度分别为208 mW/m2和158 mW/m2。水质监测结果显示,一个运行周期（4 d）养殖原水的CODcr平均去除率分别为85 %和78 %,氨氮平均去除率分别为52 %和45 %。此外,MFC对养殖废水原水的臭味去除效果明显。（2）采用PCR-DGGE方法对启动期（S）、葡萄糖产电稳定期（RG）和养殖废水原水稳定期（RS）的MFC阳极生物膜微生物群落结构进行了分析。结果表明,不同时期MFC阳极生物膜的微生物多样性存在明显差异,S-RG、S-RS、RG-RS微生物群落相似性分别为70.1 %、42.0 %和50.6 %。对DGGE条带测序和比对发现,不同时期阳极生物膜上优势微生物包括Trichococcus sp.、Thauera sp.、Azoarcus sp.、Azospirillum sp.、Zobellella sp.、Pseudomonas sp.、Aeromonas sp.、Thiobacillus sp.、Desulfovibrio sp.、Thiomonas sp.。此外,两个MFC阳极生物膜利用养殖废水产电稳定期的微生物群落相似性为48 %。（3）以沼泥接种物和原水稳定期的阳极生物膜为对象,通过分离培养-电化学测试筛选-MFC产电实验得到了4株电化学活性较高的纯培养菌株,其中两株MFC最大输出电压分别达到0.34 V和0.33 V（1000Ω外阻,1 g/L葡萄糖,50 mM PBS,pH 7.0）,最大功率密度分别达到505 mw/m2和495 mw/m2。分子鉴定结果表明,这两株微生物分别与变形杆菌（99.9 %）和克雷伯氏菌（99.8 %）具有较高的序列相似度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微生物燃料电池的基本原理
• 1.3 微生物燃料电池的发展历史
• 1.4 影响直接微生物燃料电池产电效率的关键因素
• 1.4.1 工程技术因素
• 1.4.2 生物因素
• 1.5 已知产电微生物的研究进展
• 1.5.1 已知产电微生物的生物学特性和电化学活性
• 1.5.2 已知产电微生物的电子传递机制
• 1.5.3 分子生物学方法在产电微生物多样性研究中的应用
• 1.6 微生物燃料电池的应用前景和存在的问题
• 1.6.1 微生物燃料电池的应用前景
• 1.6.2 微生物燃料电池存在的问题
• 1.7 本课题的研究目标和主要研究内容
• 1.7.1 本课题的研究目标
• 1.7.2 本课题的主要研究内容
• 第二章 材料与方法
• 2.1 微生物燃料电池和实验系统
• 2.1.1 微生物燃料电池的结构
• 2.1.2 接种物与预处理
• 2.1.3 阳极的制备
• 2.1.4 实验系统的启动与运行
• 2.2 实验试剂
• 2.3 微生物燃料电池产电性能分析方法
• 2.3.1 电压监测
• 2.3.2 极化曲线
• 2.3.3 内阻的测定
• 2.3.4 功率密度
• 2.4 化学分析方法
• 2.4.1 COD、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的测定
• 2.4.2 臭味强度等级
• 2.5 微生物多样性研究方法
• 2.5.1 样品DNA 的制备
• 2.5.2 16S rDNA 基因V3 区扩增
• 2.5.3 变性梯度凝胶电泳DGGE
• 2.5.4 DGGE 图谱分析
• 2.5.5 条带的回收测序
• 2.5.6 序列比对与系统发育树的构建
• 2.6 产电微生物的分离、筛选和验证
• 2.6.1 产电微生物的分离
• 2.6.2 电化学活性的测试
• 2.6.3 产电微生物的保存和活化
• 2.6.4 纯菌的鉴定
• 第三章 微生物燃料电池利用养殖废水产电同时净化水质的效果
• 3.1 微生物燃料电池的启动
• 3.2 两种微生物燃料电池利用原水—配水的产电特性
• 3.3 微生物燃料电池功率密度和内阻
• 3.4 微生物燃料电池净化配水和养殖废水原水的效果
• 3.5 讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 阳极生物膜微生物分子生态学分析
• 4.1 微生物基因组总DNA 的制备和16S rDNA V3 区扩增
• 4.2 DGGE 电泳图谱分析
• 4.3 16S rDNA 序列同源性比较和系统发育分析
• 4.4 微生物群落结构的变化
• 4.5 本章小结
• 第五章 产电微生物的分离、筛选及产电验证
• 5.1 产电微生物的分离
• 5.2 产电微生物的筛选
• 5.3 四种纯菌接种MFC 产电特性
• 5.4 四种纯菌接种MFC 功率密度和内阻比较
• 5.5 Ba-2 菌和Ba-3 菌的鉴定
• 5.5.1 DNA 纯度和浓度检测
• 5.5.2 PCR 扩增
• 5.5.3 16S rDNA 序列测定和同源性比较
• 5.5.4 TEM 分析
• 5.6 讨论
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢