不同底物的微生物燃料电池阳极菌群及其产电特性分析

论文摘要

微生物燃料电池（MFC）是利用微生物为催化剂降解有机废物将化学能转化为电能的装置。在MFC这个系统中,产电微生物是核心要素,而阳极底物（燃料）和接种菌源会直接影响产电微生物的种类与产电性能。因此投加不同底物,特别是真实底物的MFC中,产电微生物群落结构的研究,对于理解不同底物条件下MFC的产电机制有一定的理论意义。采用两室MFC装置,考察了小麦秸秆的水解产物作为MFC燃料产电的可行性,并表征了阳极产电菌群在整个运行周期内的演变过程。结果发现,水解产物浓度为1000mg-COD/L时,MFC最大功率密度达123 mW/m2（364 mA/m2）。功率密度随水解产物初始浓度的变化可用Monod经验公式来描述。最大功率密度为Pmax=152.2 mW/m2,Ks=284.9 mg-COD/L。库伦效率为15.5%～37.1%。生物膜和悬浮细菌在产电过程中的作用不同。复杂底物在悬浮细菌的作用下被发酵为简单小分子发酵产物,这些小分子发酵产物被生物膜中的产电菌进一步利用产电。16S rDNA文库分析表明,阳极生物膜中占主要的是Bacteroidetes菌纲微生物（40%）,其次是Alphaproteobacteria（20%）、Bacilli（20%）、Deltaproteobacteria（10%）和Gammaproteobacteria（10%）。而悬浮细菌中占主要的是Bacteroidetes菌纲（44.4%）,其次为Alphaproteobacteria（22.2%）、Bacilli（22.2%）、Betaproteobacteria（11.2%）。探讨了发酵型和非发酵型底物对MFC群落演变及电能输出影响。发酵型底物葡萄糖启动的MFC改加非发酵型底物乙酸钠,产电菌属得到富集,电能输出显著提高。乙酸钠为初始底物改加入葡萄糖后,阳极菌群结构发生显著变化,MFC需要一个驯化期（约4天）后才能恢复产电。丁酸钠启动的MFC改加入同类型底物乙酸钠后,阳极菌群未发生明显变化,产电性能未受影响。混合底物启动的MFC的产电性能低于单独底物启动的MFC,达到稳定的菌群结构需要的时间较长。采用“两段式启动”即发酵型底物启动后改加非发酵型底物,可显著的提高MFC的性能。考察了富里酸（FA）对MFC功率输出和产电过程的影响。FA（0-2000 mg/L）的加入分别将功率密度和库伦效率提高了8.3～56.7%和20.5～33.5%。FA的加入改变了底物代谢途径,引起代谢中间产物乙酸和乙醇比例的变化,乙酸的比例明显升高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 研究背景
• 1.1 课题背景
• 1.2 微生物燃料电池
• 1.3 生物质多元化利用
• 1.4 分子生物学方法在微生物多样性研究中的应用
• 1.4.1 传统微生物生态学研究的局限性
• 1.4.2 基于PCR的分子标记技术
• 1.5 分子生物学方法在MFC菌群多样性研究中的应用
• 1.6 本研究的目的和意义
• 2 小麦秸秆生物质为燃料的MFC产电性能及菌群分析
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 实验药品与仪器
• 2.2.2 MFC实验装置
• 2.2.3 实验方法
• 2.2.4 电化学参数的测量与计算
• 2.2.5 分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 利用水解产物作为底物的电能输出
• 2.3.2 电压及功率密度随电流密度的变化
• 2.3.3 水解产物浓度对功率输出及库伦效率的影响
• 2.3.4 底物代谢及中产物分析
• 2.3.5 电极表面生物膜的形态分析
• 2.3.6 阳极微生物群落结构的DGGE分析
• 2.3.7 克隆及测序
• 2.4 本章小结
• 3 发酵型和非发酵型底物对MFC微生物群落及其产电性能的联合作用
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 实验药品与仪器
• 3.2.2 MFC实验装置
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.4 电化学参数的测量与计算
• 3.2.5 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 非发酵型底物的产电及底物代谢分析
• 3.3.2 发酵型底物的产电及底物代谢分析
• 3.3.3 改变底物类型对产电的影响
• 3.3.4 改变底物类型对微生物群落的影响
• 3.3.5 混合底物对产电及底物代谢的影响
• 3.3.6 混合底物对阳极菌群的影响
• 3.3.7 16S rDNA文库
• 3.4 小结
• 4 以富里酸为电子介体的MFC产电研究
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验药品与仪器
• 4.2.2 MFC实验装置
• 4.2.3 实验方法
• 4.2.4 电化学参数的测量与计算
• 4.2.5 分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 MFC的启动
• 4.3.2 不同FA浓度对功率输出及CE的影响
• 4.3.3 FA对产电过程的影响
• 4.3.4 FA对木糖降解及代谢中间产物的影响
• 4.3.5 电极表面生物膜的形态分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢