典型电子受体对脱色希瓦氏菌S12产电特性的影响

论文摘要

微生物燃料电池（Microbial fuel cells, MFC）产电的本质是微生物以电极为电子受体的厌氧呼吸过程。MFC技术发展的最终目的是实现其在各种实际环境中的广泛应用,解决长期困扰人类的环境和能源问题。然而,自然环境当中,尤其是污染环境中,广泛存在着多种可作为微生物厌氧呼吸电子受体的物质,如NO3-,SO42-, Fe3+和偶氮染料等,但目前有关这些物质对微生物产电过程的影响及其相关机制了解较少,严重影响MFC在实际环境中的应用进程。本研究以实验室分离得到的具有多种厌氧呼吸功能的脱色希瓦氏菌（Shewanella decolorationis）S12为产电菌,利用双室微生物燃料电池,在以乳酸钠为电子供体条件下,研究环境中常见的几种典型的电子受体对微生物产电功能的影响,并从生理和电化学水平上初步探讨其内在的机制。首先,我们研究了硝酸盐对S12产电的影响及其可能的机理。实验结果表明,在电子供体充足的前提下,一定浓度硝酸盐的添加在实验初期对MFC的产电有一定的抑制作用,但随着硝酸盐的还原,促进了阳极室细胞的生长,MFC的产电能力也相应提高。当添加2 mM硝酸盐时,MFC阳极生物膜蛋白量比无硝酸盐对照高近1.4倍,最大产电电压达到0.035 V,显著高于对照组的最大产电电压（0.024 V）。上述结果说明,菌株S12优先利用硝酸盐为电子受体进行厌氧呼吸生长,提高阳极生物量,随着硝酸盐逐渐被还原完毕,这些微生物细胞逐渐转为利用电极呼吸,从而产生更高的电量。然而,当硝酸盐浓度提高到10 mM时,电极生物膜的生长和MFC的产电均受到抑制。当添加硫酸盐为外加电子受体时,除了高浓度硫酸盐（7.5 mM）对阳极室细胞生长有一定的抑制作用外,2.6 mM及其以下浓度硫酸盐的添加对阳极细胞生长和产电均无明显影响。添加可溶性的三价铁氧化物（柠檬酸铁）对菌株S12的早期产电表现出一定的促进作用,使MFC在较短时间内达到最大电压。分析阳极生物量时发现,可溶性Fe3+的添加可在早期显著提高阳极室浮游细胞量,而对阳极生物膜生长则表现出一定的抑制作用。而固态三价铁（氧化铁）对菌株S12的产电则表现为低浓度促进、高浓度抑制的效果。随着反应的进行,阳极溶液中Fe2+浓度表现出先升高后降低的趋势。这可能是由于在产电条件下,Fe3+还原所产生的Fe2+可以被电极重新氧化为Fe3+,并而在产电过程中起到电子传递介质的作用而促进产电。当添加偶氮染料为外加电子受体时,随着偶氮染料浓度的提高,菌株S12的最大产电电压也相应提高。进一步的分析发现,阳极的浮游细胞量和生物膜蛋白量均与偶氮染料浓度呈正相关。在产电条件下,菌株S12对偶氮染料的耐受能力和脱色能力显著提高。分析偶氮染料脱色产物对菌株S12产电的影响发现,添加两种降解产物均可提高阳极生物蛋白量,循环伏安法（CV）扫描显示苋菜红脱色产物P1及产物类似物P2A具有显著电化学活性,可作为电子传递介体促进菌株S12产电。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MFC技术基本原理与发展进程
• 1.1.1 MFC技术基本原理
• 1.1.2 MFC技术发展进程
• 1.2 MFC技术优势与存在问题
• 1.3 MFC强化有机污染物降解
• 1.3.1 MFC强化底泥或土壤中有机污染物的降解
• 1.3.2 MFC强化石油有机污染物的降解
• 1.3.3 MFC强化电子受体类有机污染物降解
• 1.3.4 MFC强化其它有机污染物的降解
• 1.3.5 MFC强化无机物污染物的降解
• 1.4 MFC强化污染物降解的机理
• 1.4.1 更有效的微生物代谢模式
• 1.4.2 电极呼吸生物膜具有更高的呼吸活性
• 1.4.3 电极对周围氧化还原环境的影响
• 1.5 选题背景和研究意义
• 1.6 研究目的与主要内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 主要研究内容
• 第二章 硝酸盐对S 12产电特性的影响
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 接种物与培养液
• 2.1.2 实验方法
• 2.1.3 双室MFC的结构
• 2.1.4 MFC操作与分析
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 硝酸盐对S12产电影响
• 2.2.2 硝酸还原情况
• 2.2.3 硝酸盐对S12生长影响
• 2.2.4 硝酸盐对MFC阳极生物膜蛋白量的影响
• 2.3 本章小结
• 第三章 硫酸盐对S12产电特性的影响
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 接种物与培养液
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.3 双室MFC的结构
• 3.1.4 MFC操作与分析
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 硫酸盐条件下S12产电特性
• 3.2.2 不同浓度硫酸盐对S12生长影响
• 3.2.3 不同浓度硫酸盐对MFC阳极生物膜蛋白量的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 三价铁对S12产电特性的影响
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 阳极接种物与培养液
• 4.1.2 实验方法
• 4.1.3 双室MFC的结构
• 4.1.4 MFC操作与分析
• 4.2 结果与讨论
• 3+条件下S12产电曲线'>4.2.1 不同形态Fe³⁺条件下S12产电曲线
• 2+在阳极溶液变化情况'>4.2.2 Fe²⁺在阳极溶液变化情况
• 3+条件下S12的生长情况'>4.2.3 添加不同形态Fe³⁺条件下S12的生长情况
• 3+条件下对MFC阳极电极生物膜蛋白浓度的影响'>4.2.4 不同形态Fe³⁺条件下对MFC阳极电极生物膜蛋白浓度的影响
• 4.2.5 透射电子显微镜观察S12细胞形态
• 4.3 本章小结
• 第五章 偶氮染料对S12产电特性的影响
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 接种物与培养液
• 5.1.2 实验方法
• 5.1.3 双室MFC的构建
• 5.1.4 MFC操作与分析
• 5.1.5 生物膜样品处理与观察
• 5.1.6 偶氮染料苋菜红还原检测
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 不同浓度苋菜红对S12产电的影响
• 5.2.2 不同浓度苋菜红条件下S12的脱色特性
• 5.2.3 苋菜红对浮游S12生长与阳极电极生物膜的影响
• 5.2.4 MFC处理与常规厌氧处理高浓度苋菜红S12的脱色与产电特性
• 5.2.5 批次试验中苋菜红在开路与闭路MFC中的脱色
• 5.2.6 苋菜红及其降解产物的循环伏安扫描
• 5.2.7 添加苋菜红后对S12形态的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 苋菜红降解产物对S12产电特性的影响
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 阳极室接种物与培养液
• 6.1.2 实验方法
• 6.1.3 双室MFC的构建
• 6.1.4 MFC操作与分析
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 苋菜红及其降解产物对S12产电的影响
• 6.2.2 苋菜红降解产物全波长扫描
• 6.2.3 苋菜红及其降解产物对阳极浮游细胞与电极生物膜的影响
• 6.2.4 降解产物类似物P2A对产电菌与不产电菌的影响
• 6.2.5 苋菜红降解产物CV扫描
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历