微氧环境中电化学活性微生物的分离与鉴定

电化学活性微生物在金属、碳等元素的生物地球化学循环,以及生物能源合成中具有重要作用.与微生物燃料电池厌氧阳极相比,微氧阳极能够捕集更多电能.但是相比于厌氧阳极中功能微生物的广泛研究,微氧阳极中的功能微生物还未被分离和研究.本研究采用传统好氧分离技术从微生物燃料电池微氧阳极分离获得3株纯菌Aeromonas sp.WS-XY2、Citrobacter sp.WS-XY3和Bacterium strain WS-XY4,其中WS-XY2和WS-XY3属于变形菌门,WS-XY4初步鉴定为新种.循环伏安、计时电流结果表明3株菌均具有电化学活性,且具有相似的直接胞外电子传递机制.3株菌在微生物分类学和电化学性质上的异同,表明微氧阳极能够定向筛选具有相似电化学性质的电化学活性微生物.微生物燃料电池微氧阳极具有更高效多样的功能微生物,可能是微氧阳极性能优于厌氧阳极的一个原因.因此,进一步针对微生物燃料电池微氧阳极中功能微生物的研究,将有助于阐明微氧阳极提高微生物燃料电池电能捕集的微生物机制.     

聚苯胺/电气石电极对微生物燃料电池的影响

文章以电气石和聚苯胺为材料,利用电化学方法来修饰石墨电极。其中以石墨电极、聚苯胺修饰的石墨电极和聚苯胺、电气石共同修饰的石墨电极作对照实验,分别为微生物燃料电池反应器1、2和3的生物阴极材料。生物阴极型微生物燃料电池是以微生物作为阴极的催化剂,微生物催化剂相比贵金属它不仅降低了微生物燃料电池应用的成本,而且还可以保持高的催化性能。因此,寻找一种高电导率、高生物适应性以及能够加强生物催化性能的电极材料对微生物燃料电池的发展有很大的影响。当反应器外电路电阻控制在800Ω时,反应器1、2和3的最大输出电压稳定在(0.20±0.005)、(0.26±0.005)和(0.37±0.005)V,同时反应器1、2和3的最大功率密度分别为54、138和266 m W/m2。而循环伏安曲线的结果也表明聚苯胺、电气石修饰的电极材料催化性能优于其余2种电极材料。因此说明电气石适合作为修饰生物阴极的材料。     

水生植物在微生物燃料电池中的应用研究进展

微生物燃料电池在降解污染物的同时能将污染物中的化学能转化为电能。研究微生物燃料电池是对污水处理过程中回收环境友好能源的多学科交叉探索,可以为我国有效解决能源与环境问题提供新的技术途径。水生植物在微生物燃料电池研究中已得到了应用,显示出了良好的污水净化效果和生物产电特性。目前利用水生植物构建的微生物燃料电池,一类是将高等植物根区作为电池的阳极系统,目的是利用根区分泌物解决MFC的燃料问题;另一类是直接将低等水生植物藻类构建生物阴极型微生物燃料电池,其实质是利用藻类光合作用产氧构建好氧型生物阴极微生物燃料电池而还原CO2。文章对水生植物在微生物燃料中的作用机制、调控措施、运行条件、工艺参数等方面的研究现状进行了综合分析,也提出了需要深入研究的方向。     

微生物燃料电池研究进展

微生物燃料电池能够在处理有机污染物的同时回收电能,这种变废为宝的优势使其成为研究的热点。文章回顾了微生物燃料电池的发展历程,着重从反应器构型与材料、运行条件及电子传递机制等方面,系统地阐述了近年来研究的动向与进展,总结了微生物燃料电池可应用的领域,并针对当前研究的不足与面临的问题,提出了今后微生物燃料电池的发展方向与应用前景。     

生物阴极型微生物燃料电池研究进展

生物阴极型微生物燃料电池利用阴极微生物作为催化剂,降低微生物燃料电池成本的同时提高运行稳定性,受到广泛关注。文章根据最终电子受体将微生物燃料电池分为好氧生物阴极型和厌氧生物阴极型两类,分别对其产电机理、产电及污水净化效果进行评述,在此基础上分析影响生物阴极型微生物燃料电池产电的各种因素,提出生物阴极型微生物燃料电池的发展方向。     

活性炭优化生物阴极提升微生物燃料电池产电性能

对双室好氧生物阴极微生物燃料电池的阴极电极材料进行了优化.使用碳纤维刷阴极启动,进入稳定期后向反应器阴极室投加活性炭颗粒(T2)和活性炭粉末(T3),以提升微生物燃料电池的产电性能.实验结果表明,向阴极投加活性炭可以迅速提高微生物燃料电池的输出电压.投加活性炭颗粒后,T2的开路电压和最大功率密度分别提高了42%和237%;投加活性炭粉末后,T3的开路电压和最大功率密度分别提高了12%和42%.优化后的微生物燃料电池对COD的去除率分别是91.5%、90.3%,库仑效率分别提高了54.4%和17.9%.投加活性炭颗粒效果更好,可以显著提高微生物燃料电池产电性能,同时提高微生物燃料电池的COD去除率和库仑效率.     

微生物燃料电池中产电微生物电子传递研究进展

微生物燃料电池集产电和污水净化为一体,作为一种新型的能源回收技术得到人们的广泛关注。从微生物燃料电池工作原理来看,电子能否顺利地传递到阳极表面对于电流的产生起着关键作用。因此,本文重点阐述了电子在产电微生物体内产生的途径、电子从微生物体内向阳极传递的不同方式以及阳极材料对产电微生物附着和电子传递的影响。从生物化学、电化学和材料学上对产电微生物体内的电子到阳极整个过程进行全面的综述。明确电子传递的关键环节,为新型高效阳极材料的开发提供思路。     

生物电化学系统对河道沉积物中抗生素的强化去除

生物电化学系统已被证明可以有效降解废水或污泥中的抗生素,但对于河道沉积物中抗生素降解效果的研究还十分有限.本研究以河道沉积物为底物,考察了沉积物中本底抗生素在微生物电解池（microbial electrolysis cell, MEC）和微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）中的去除、迁移和降解效率,以及反应器运行期间的电化学性能和微生物种群结构变化.结果显示,MEC和MFC均可以强化沉积物中抗生素的去除,喹诺酮类抗生素和四环素类抗生素中的CTC的去除是向上覆水中迁移与生物电化学降解共同作用的结果,而大环内酯类抗生素和四环素类抗生素中的TC和OTC的去除主要是依靠生物电化学降解作用.TC和OTC在MEC中的降解效率分别比MFC高出82.6%和29.5%,而MFC对大环内酯类抗生素的降解效率比MEC高27.6%~40.6%.电化学性能测试结果显示,以河道沉积物为底物的MFC内阻较大导致其功率密度相对较低,但MFC阳极比MEC阳极表现出了更好的氧化效果.微生物种群结构变化分析发现,门水平上的Proteobacteria及其对应的纲水平上的Deltaproteobacteria和Gammaproteobacteria可能对抗生素的强化去除起到了主要的积极作用,而且MFC阳极比MEC更容易富集Proteobacteria.     

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的研究进展及展望

人工湿地（CW）与微生物燃料电池（MFC）的耦合系统是一种新型的生物电化学系统。该系统可以在生物产电的同时进行废水处理。结合近年来对人工湿地-微生物燃料电池耦合系统（CW-MFC）的系统产电和污染物降解性能的研究,综述了CW-MFC系统的最新研究进展,主要从系统结构（湿地植物、微生物、电极材料、基质材料）和影响系统运行因素（水力停留时间、溶解氧、有机负荷及废水成分、氧化还原电位）2个方面概述。最后总结了CW-MFC面临的挑战及今后的发展方向,并展望了该系统的研究潜力。     

微生物燃料电池的研究综述

微生物燃料电池是一种利用微生物的催化作用,将燃料中的化学能转化为电能,同时又可以处理废水的新型技术,具有显著的环境效益和经济效益。本文对微生物燃料电池的基本原理进行了详细的叙述,对一些影响微生物燃料电池在处理污水时发电的基本因素做了较全面的比较,同时也探讨了一些现阶段微生物燃料电池的瓶颈问题。展望了微生物燃料电池(MFCs)这一绿色技术的良好的发展前景。     

土壤微生物产电技术及其潜在应用研究进展

微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)是一种利用微生物将有机物的化学能转化为电能的装置.土壤含有产电细菌和有机质,能够在MFCs中产生电流.运行土壤MFCs能实时连续监测土壤污染和环境变化,去除土壤中污染物以及抑制淹水稻田土壤排放甲烷.实现上述功能不仅不消耗能源,相反还能产生少量电能,也无需向土壤中添加化学药剂.因此土壤MFCs是值得探索的环境友好的污染检测和修复技术以及温室气体减排技术,在环境科学与工程领域具有潜在的应用价值.由于土壤MFCs研究起步较晚,MFCs领域许多新技术尚未在土壤MFCs中得以应用.本文综述了土壤MFCs的相关研究进展,并结合MFCs技术的前沿,提出土壤MFCs可能的发展方向.     

厌氧/好氧生物接触氧化工艺耦合微生物燃料电池技术处理农村生活污水

为研究微生物燃料电池(MFC)在农村生活污水处理工艺中对污染物去除效果的影响及其产电效率,在厌氧/好氧生物接触氧化反应器中构建了MFC,并进行实验研究。结果表明:增加了MFC构建可以使装置的COD去除率从87.67%提高到96.19%,总氮和悬浮物去除率也有一定提高,分别从61.6%和84.6%提高到64.7%和87.9%,但对氨氮和总磷的去除效果影响不明显。稳定期,当外接500 Ω电阻时,装置中MFC的输出电压可达到0.33~0.51 V,总产电功率和库仑效率分别为169.13~192.12 mW/m3和2.50%。微生物分析表明,装置中构建MFC可以提高整个装置中与产电和有机物去除相关的微生物(Trichococcus)、好氧区的脱氮微生物(Dokdonella和Rhodobacter)和除磷微生物(norank_f__Caldilineaceae和Anaerolineaceae)等的相对丰度,从而提高装置的污水处理效率。     

电控膜生物反应器技术回顾与展望

电控膜生物反应器（Electrical membrane bioreactor，eMBR）在膜生物反应器中引入电极反应、电场效应，将膜分离技术、微生物降解以及电化学水处理技术有机结合，提升出水水质、减缓膜污染、强化产生物气，对构建"碳中和"型污水处理技术模式具有重要科学意义和应用价值.近年来，膜材料科学和反应器设计不断发展，推动eMBR技术进步，在强化污染物去除、电化学控制膜污染和微生物电化学响应原理方面取得重要进展；对eMBR的研究出现新态势：注重导电膜/膜电极材料研制与应用、回收污水中资源与能源、短流程-无药剂的反应器构造和工艺设计.本文总结回顾了国内外相关研究，分析了eMBR的基本特征和优势功能，重点关注膜污染电控原理以及微生物的电场响应机制，并展望了eMBR的发展趋势，以期推动电驱动膜分离技术的研究与应用.     

溶液浓差能驱动的逆电渗析有机废水氧化降解机理研究

将逆电渗析(RED)电极氧化还原反应作用于有机废水降解,可以达到利用低品位热氧化降解有机废水的目的.RED反应器阳极产生氧化反应生成的HClO及阳极表面直接电化学氧化反应对有机废水产生氧化降解作用,阴极发生电芬顿反应生成H_2O_2对有机废水产生氧化降解作用.为了验证溶液浓差能驱动的RED有机废水氧化降解工作机理,通过搭建一个由40对膜电池单元所构成的实验室规模的RED有机废水氧化降解反应器及相应的实验系统,对偶氮染料——酸性橙Ⅱ模拟废水进行氧化降解机理研究.通过3次重复性实验研究发现:在通过正交试验确定的最佳降解条件下,浓度为150 mg·L~(-1)各500 mL的酸性橙Ⅱ模拟废水分别流经RED反应器阴、阳两极,阴、阳极12 min酸性橙Ⅱ平均降解率分别可达90.14%和97.87%,20 min酸性橙Ⅱ平均降解率分别达到97.56%和99.81%.初步研究结果表明,溶液浓差能驱动的RED反应器对难生化降解有机物有较好的降解效果,为后续相关理论和实验研究提供了参考依据.     

内循环(IC)厌氧反应器的发展与应用

主要介绍了IC反应器的特性和研究进展。IC反应器是UASB反应器的基础上发展起来的第三代厌氧生物反应器，它特有的内循环结构这一技术优势使其具有效率高、能耗低、投资少、占地省等优点。分析了IC反应器的缺陷，并展望了IC反应器的发展前景。     

Hydrogen gas production in a microbial electrolysis cell by electrohydrogenesis

Electrohydrogenesis is a bio-electrochemical process where organic material is microbially oxidized to protons and electrons, which in turn are reduced to form hydrogen gas (H₂). The reactor in which these reactions occur is termed a microbial electrolysis cell (MEC). The microorganisms that colonize the anode are known as electricigens and behave as biological catalysts, significantly reducing the energy required to drive this process. Electricigens are capable of complete substrate degradation, leading to very high cathodic H₂ recovery efficiencies from sources previously considered organic waste. In this short review, the origination of the bio-electrochemical system (BES) is introduced, mechanisms for electron transfer between microbe and electrode are discussed, the challenges these electrochemical systems face are presented, and finally an overview of current MEC systems and their respective performance is evaluated. Electrohydrogenesis has established itself as a promising technology for sustainable H₂ production from renewable sources.     

Performance evaluation of microbial fuel cell for landfill leachate treatment: Research updates and synergistic effects of hybrid systems

Over half of century, sanitary landfill was and is still the most economical treatment strategy for solid waste disposal, but the environmental risks associated with the leachate have brought attention of scientists for its proper treatment to avoid surface and ground water deterioration. Most of the treatment technologies are energy-negative and cost intensive processes, which are unable to meet current environmental regulations. There are continuous demands of alternatives concomitant with positive energy and high effluent quality. Microbial fuel cells (MFCs) were launched in the last two decades as a potential treatment technology with bioelectricity generation accompanied with simultaneous carbon and nutrient removal. This study reviews capability and mechanisms of carbon, nitrogen and phosphorous removal from landfill leachate through MFC technology, as well as summarizes and discusses the recent advances of standalone and hybrid MFCs performances in landfill leachate (LFL) treatment. Recent improvements and synergetic effect of hybrid MFC technology upon the increasing of power densities, organic and nutrient removal, and future challenges were discussed in details.     

膜曝气生物膜反应器生物脱氮研究进展

膜曝气生物膜反应器（MABR）是一种新型生物污水处理技术,具有氧传质效率高、底物氧气异向传质等特点,在污水高效脱氮、节能降耗、污泥减量化等方面优势明显,近年备受关注。近20多年的研究中,系列研究工作对影响MABR运行效果的气体传质、物质传递及微生物群落结构等因素进行了深入探索,在工艺控制与优化、反应器设计与改进、脱氮工艺过程模型开发与模拟等方面取得较大进展突破。随着膜材料的不断改进和全面应用,MABR技术具有良好的工程实践前景。     

运行微生物燃料电池减排稻田土壤甲烷的研究

为了研究稻秆还田条件下运行微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFCs)是否能有效减排稻田甲烷,本研究将添加质量分数0.5%稻秆的土壤装入MFCs反应器,淹水并种植水稻后运行MFCs.待水稻经历苗期、分蘗期、晒田期、灌浆期和成熟期共98 d后,停止MFCs运行.在MFCs运行过程中实时连续记录电压,每周一次采用静态箱法搜集并检测反应器的甲烷排放通量.结果表明,MFCs电流在分蘗期逐步升高并达到峰值,并且运行MFCs显著降低添加稻秆土壤在苗期和分蘗期的甲烷累积排放通量.原因可能与产电菌和产甲烷菌竞争有机底物有关.MFCs运行98 d后,水稻株高、地上和地下部分生物量,以及产量未受显著影响.本研究为稻田CH_4减排提供了一种潜在的绿色可持续的技术.