生物电解产氢系统功能微生物筛选及其电化学特性研究

论文摘要

生物电解系统（MEC）是针对现有发酵制氢中末端产物仍然蕴含的能源潜力,立足于利用乙酸等小分子有机质在微生物作用下进一步获得氢气的深度制氢工艺。目前,国内外对MEC系统功能微生物及其贡献的认识还相当有限,不同类型功能微生物的电子传递特性及协同作用尚无研究。本研究建立了一种新型的MEC系统阳极功能菌群的分离筛选方法—基于无定形铁还原的连续稀释法,对阳极生物膜样品进行连续倍比稀释（10-110-9）,并将不同稀释条件下的样品接种至无定形铁筛选培养基,以Fe（III）还原能力为指标进行筛选,直至获得具有高活性的最小功能单元。实验结果表明,稀释倍数从10-1降低到10-6,不同菌群Fe（III）还原反应均有一个迟滞期,且迟滞期随着稀释倍数的增大而延长,但最大铁还原能力受稀释倍数的影响较小。故采用该方法得到的具有Fe（III）还原能力的最高稀释倍数（10-6）下的功能菌群定义为“最小功能单元”。本研究采用该方法从稳定运行三个月的MEC系统阳极生物膜中筛选出“最小功能单元”（命名为E23）。“最小功能单元”—E23具有稳定高效的铁还原能力,能利用乙酸作为电子供体还原无定形铁,将100 mmol无定形铁完全还原为Fe3O4。将MEC阳极生物膜“最小功能单元”—E23接种至双室MEC系统,以乙酸作为唯一电子供体,不加任何介体。结果表明,在无外加电压条件下,E23可以利用乙酸产生电流,最大电流密度为417.5 mA/m2,最大功率密度为209.1 mW/m2,这高于已有报道相似工艺条件下活性污泥的产电能力。在一个15天为周期的反应器批次实验中,总库仑效率（Ec）达22.4%±2%。实验还采用变形梯度凝胶电泳（DGGE）技术分析了E23接种液的优势种群对MEC启动的影响,提出了通过优化E23接种液的优势种群结构的方式,可以将“最小功能单元”—E23在MEC中的迟滞期（140h）缩短为0h。同时,利用Hungate技术从MEC系统悬浮液中分离到1株悬浮液功能菌株,命名为WL-4,它不能利用乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、乙醇、乳酸、葡萄糖等常规电子供体还原无定形铁。生理生化分析及16S rRNA鉴定表明菌株WL-4属于Bacteroides。反应器运行结果表明,菌株WL-4不能利用乙酸产电。为了探讨MEC系统中功能微生物之间的协作行为,将阳极生物膜“最小功能单元”—E23和悬浮液功能菌株WL-4进行复配实验,考察其电化学活性。结果表明,二者共培养物运行的MEC系统库仑效率明显提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 生物电解产氢系统原理与研究进展
• 1.3 微生物燃料电池功能微生物的研究进展
• 1.3.1 主要电化学活性微生物
• 1.3.2 电化学活性微生物代谢和电子传递机制
• 1.4 课题研究的意义和主要内容
• 1.4.1 本课题研究的意义
• 1.4.2 本论文研究的主要内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 菌种来源
• 2.1.2 试验装置
• 2.1.3 计算方法
• 2.1.4 培养基配方
• 2.1.5 主要仪器和设备
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 MEC系统I阳极生物膜中功能菌群的筛选
• 2.2.2 MEC系统阳极悬浮液中功能菌的分离和纯化
• 2.2.3 功能细菌形态学观察、分子生物学鉴定
• 2.2.4 铁还原实验方法
• 2.2.5 功能菌的电化学活性分析
• 2.3 分析测定指标与方法
• 2.3.1 挥发酸浓度的测定
• 2.3.2 Fe （Ⅱ）浓度的测定方法
• 第3章 MEC系统功能菌的分离筛选及方法建立
• 3.1 MEC系统I运行及对微生物的定向富集
• 3.1.1 连续流运行MEC系统I
• 3.1.2 间歇式运行MEC系统I
• 3.2 阳极生物膜功能菌群的分离筛选及其铁还原能力
• 3.2.1 阳极生物膜“最小功能单元”的获得
• 3.2.2 阳极“最小功能单元”筛选方法的建立
• 3.2.3 阳极生物膜“最小功能单元”—E23 的铁还原能力
• 3.3 悬浮液功能菌的分离筛选及其特征
• 3.3.1 悬浮液功能菌的分离筛选
• 3.3.2 悬浮液功能菌的生长及铁还原特征
• 3.4 本章小结
• 第4章 MEC系统功能微生物的电化学特性
• 4.1 阳极生物膜“最小功能单元”—E23 的电化学特性
• 4.1.1 阳极生物膜“最小功能单元”—E23 的电化学活性
• 4.1.2 不同形式接种液电化学活性的差异
• 4.2 悬浮液功能菌WL-4 的电化学特性
• 4.3 功能菌复配的电化学活性
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢