一株以喹啉为燃料的产电假单胞菌(Pseudomonas sp.)Q1的特性研究

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)阳极微生物的种类和作用机制对MFC的产电性能有着重要影响.从稳定运行了210d,以200mg·mL-1喹啉为燃料的MFC阳极室分离得到一株革兰氏阴性菌,命名为Q1,其16S rRNA基因序列与Pseudomonas citronellolisDSM50332T的同源性为96.9%,属于假单胞菌属(Pseudomonassp.).循环伏安法及构建纯菌MFC方法的测定结果均表明Q1具电化学活性.菌株Q1能利用单一喹啉或喹啉和葡萄糖混合燃料产电.在本试验所用浓度范围内,增加葡萄糖浓度,菌株Q1对应的最高输出电压增加,增加喹啉浓度菌株Q1的产电性能则降低,研究表明,菌株Q1库仑量和库仑效率达到最高时(分别为18.65C和36.56%),存在一个最佳喹啉与葡萄糖浓度比1∶3.在MFC中喹啉的降解效果优于普通厌氧培养,葡萄糖对菌株Q1降解喹啉有促进作用,以喹啉和葡萄糖为混合燃料24h对喹啉的去除率达99.53%,优于以单一喹啉为燃料的情况.循环伏安法和不同更换基质方式试验表明,附着在电极上的菌株Q1对产电起主要作用,Q1的溶解态代谢产物对产电过程起电子介体的作用.     

喹啉为单一燃料在填料型MFC的产电特性研究

多环芳烃是我国近岸海域水体和沉积物中需要优先控制的首位有机污染物,喹啉是典型的含氮杂环芳烃,具有较大的毒性、致畸性和潜在的致癌作用。该研究利用填料型MFC对单一喹啉为燃料的产电性能进行了研究。经过6个月利用喹啉和葡萄糖作混合燃料的驯化,MFC中的阳极群落发生了改变,可以利用单一喹啉进行产电,以200 mg/L喹啉为燃料时的最大体积功率密度为2.7 W/m3。在没有外加葡萄糖可能带来的协同共代谢作用下,利用单一喹啉做燃料时,对喹啉在MFC中的降解途径进行了研究。实验结果表明,以喹啉为燃料时,MFC可以在不利用有机物本身作为电子受体的作用下,通过外电路的电子传递完成电子从阳极到阴极的传递而达到相同的目的。     

阳极初始电势对微生物燃料电池产电的影响

在微生物燃料电池中,阳极电势会对产电菌的富集和生长产生影响.为进一步明确阳极电势的作用,确定适合微生物生长的最佳阳极电势,在微生物燃料电池的阳极室中设置附加电路以改变阳极的初始电势,考察阳极初始电势对产电微生物的影响.将阳极初始电势设为350 mV时,产电微生物的生长明显变慢.而阳极初始电势为-200 mV和200 mV时,微生物的生长速度基本相同.稳定运行后,阳极初始电势分别为350、200和-200 mV的微生物燃料电池,阳极内阻分别为71、43和80 Ω.通过变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析微生物燃料电池稳定产电前后阳极微生物群落结构,虽然3个微生物燃料电池的阳极初始电势不同,但稳定后微生物群落结构相似,Clostridium sticklandii、Pseudomonas mendocina、Paenibacillus taejonensis在阳极的富集量最多,MFC对这3种细菌的强化富集作用最明显.     

纯菌株与混合菌株在MFC中降解喹啉及产电性能的研究

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极微生物菌群组成与MFC产电性能有重要关系.从稳定运行了210 d以上,以200 mg.L-1喹啉为燃料的MFC阳极室分离提纯出4株兼性厌氧菌Q1、b、c和d,分别代表原MFC中所有4类不同菌落形态的可培养菌.16S rDNA序列分析结果表明,菌株Q1、c和d属于假单胞菌属(Pseudomonas sp.),菌株b属于伯克霍尔德菌属(Burkholderia sp.).通过构建双室MFC,以200 mg.L-1喹啉和300 mg.L-1葡萄糖为混合燃料,以铁氰化钾为电子受体测定各菌株产电能力,结果表明菌株b、c和d均为非产电菌.产电菌Q1与非产电菌b、c、d复合产电电荷量依次为3.00、3.57和5.13C,库仑效率依次为3.85%、4.59%和6.58%,产电菌与非产电菌对燃料的降解利用存在竞争关系,使得复合菌产电能力比产电菌Q1单独时的产电能力差.在MFC中,非产电菌与产电菌复合产电时24h内对喹啉的去除率均可以达到100%,降解喹啉效果优于4株菌单独构建的MFC,即混合菌更有利于利用复杂碳源.GC/MS的测定结果表明,产电菌株Q1构建的纯菌MFC和原混合菌MFC周期结束时出水中存在的喹啉代谢产物均为2-羟基喹啉和苯酚.     

以苯酚为燃料的微生物燃料电池产电特性

选取城市污水处理厂的好氧和厌氧混合污泥作为接种液,构建了双极室微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC),对以葡萄糖、葡萄糖和苯酚、苯酚为不同燃料的MFC进行了有机物降解和产能效果的研究.试验结果表明,以葡萄糖为单一燃料时MFC的启动时间最短,以苯酚为单一燃料时MFC启动时间最长.MFC在不同燃料来源条件下对苯酚去除率均大于85%,COD去除率超过80%.MFC的连续运行试验结果表明,在1000Ω外电阻条件下,以葡萄糖为单一燃料的MFC运行周期最长,可达400h,最大输出电压为551mV,功率密度为 121 mW·m-2(阳极);以葡萄糖和苯酚为混合燃料的MFC运行周期约200h,最大输出电压为208mV,功率密度为 16mW·m-2(阳极);而以苯酚为单一燃料的MFC运行周期仅约为100h,最大输出电压为121mV,功率密度为 6 mW·m-2(阳极).试验结果最终表明,MFC能够利用苯酚作为燃料,在实现高效降解的同时可稳定地向外输出电能,这为酚类难降解有机物的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

葡萄糖和硝基苯为混合燃料时MFC的产电特性研究

通过构建双极室微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC),以铁氰化钾溶液为阴极电子受体,以硝基苯(nitrobenzene,NB)和葡萄糖为混合燃料,研究MFC的产电特性和NB的降解情况.结果表明,在外阻为1000Ω的条件下,随着NB初始浓度的增加,双极室MFC的产电特性明显受到抑制.当葡萄糖浓度为1000mg/L,NB初始浓度分别为0、50、150、250mg/L时,MFC的运行周期逐渐缩短,分别为55.7、51.6、45.9、32.2h;最大输出电压分别为670、597、507、489mV;最大体积功率密度分别为28.57、20.42、9.29、8.47W/m3;电荷量分别为65.10、43.50、35.48、30.32C.MFC利用NB和葡萄糖为混合燃料,可以在稳定地输出电能的同时实现有机物高效降解,MFC对NB去除率高达100%,对COD的去除率达到87%～98%.但以250mg/LNB为单一燃料时,MFC无明显产电现象.DGGE图谱表明NB的加入改变了MFC阳极电极上微生物的群落结构.     

降解喹啉的微生物燃料电池的产电特性研究

通过构建双极室微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),对喹啉的降解及MFC的产电性能进行了研究.试验结果表明,当喹啉初始浓度为500 mg·L-1,葡萄糖与喹啉浓度之比为1:1,3:5,1:5时,MFC的最大输出电压分别为558 mV、469 mV、328 mV,运行周期分别为56.4 h、70h、82.5 h;最大功率密度分别为173 mW·m-2、122 mW·m-2、60 mW·m-2(按阳极截面积计算)或者35 W·m-3、24 W·m-3、12 W·m-3(按阳极室有效容积计算).MFC可实现对喹啉的高效降解,但葡萄糖的浓度对喹啉的降解速率有较大影响.当葡萄糖浓度分别为500 mg.L-1、300mg·L-1和100 mg·L-1时,使500 mg·L-1喹啉完全降解的时间分别为6 h、24 h和72 h.MFC闭路条件下对喹啉的降解速率高于开路厌氧条件下的喹啉降解速率约10%.MFC对喹啉的降解与产电速率之间存在差距,喹啉被快速降解至较低浓度(<5rag·L-1)后,MFC的产电性能才达到最优.MFC以用喹啉和葡萄糖作为混合燃料时,可以在实现高效降解喹啉的同时可稳定地向外输出电能,这为杂环芳烃类难降解有机物的高效低耗处理提供了新的途径.     

以吲哚为燃料的微生物燃料电池降解和产电特性

以铁氰化钾为电子受体,在两极阴阳室内使用碳毛刷纤维为电极材料构建了循环式微生物燃料电池(MFC),研究了以吲哚为单一燃料和吲哚+葡萄糖为混合燃料条件下MFC的产电特性以及对吲哚和COD的去除效果.结果表明,以1000mg/L葡萄糖+250mg/L吲哚为混合燃料时,MFC的最高电压和最大功率密度分别为660mV和51.2W/m3(阳极),MFC运行10h对吲哚和COD的去除率分别为100%和89.5%;分别以250,500mg/L吲哚为单一燃料时,MFC的平均最高电压分别为115,118mV,最大功率密度分别为2.1,2.3W/m3(阳极).在MFC中,250,500mg/L吲哚被完全降解的时间分别为6,30h.MFC能够利用吲哚为燃料,在实现高效降解吲哚的同时对外产生电能,可用于处理含有毒且难降解有机物的焦化工业废水.     

喹啉和吡啶共存条件下的MFC产电特性研究

喹啉和吡啶往往共存于实际废水中,本文通过构双极室MFC,以铁氰化钾为电子受体,对喹啉和吡啶在MFC中的降解以及产电性进行研究.结果表明,MFC的最大输出电压随着葡萄糖浓度的降低而降低,当喹啉和吡啶初始浓度均为500mg·L-1,葡萄糖浓度分别为1000、500、100mg·L-1时,最高输出电压逐渐降低,分别为606、537、354mV;最大体积功率密度为18.4、14.4和6.3W.m-3.当以等浓度500mg·L-1的喹啉和吡啶作混合燃料时,MFC的内阻超过1250Ω,最大体积功率密度为2.9W.m-3.周期结束时,COD的去除率达79%以上,喹啉和吡啶均可以完全去除,喹啉的降解速率明显高于吡啶.MFC可以利用喹啉和吡啶作为混合燃料,这为含喹啉和吡啶共存类实际废水的MFC处理提供了理论依据.     

电极活性菌分离过程中微生物群落结构动态特征解析

为探讨培养过程对微生物的选择性作用及电极活性菌在生物膜中的功能地位,采用亨氏厌氧滚管稀释培养技术,以氧化铁为指征,自微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极生物膜中分离电极活性微生物,并对纯菌分离过程中微生物群落结构动态特征进行跟踪监测.结果表明,以乳酸、乙酸和甾体药物生产废水为底物的MFC最高电压分别可达0.57、0.60和0.40 V.种泥以及乳酸、乙酸为底物的阳极膜分离出的优势菌种均为变形杆菌,而甾体废水为底物的阳极膜分离出的优势菌包含变形杆菌、厚壁菌和拟杆菌,种类丰富.经过富集培养最终分离获得2株电极活性菌,16S rDNA测序鉴定为路德维希肠杆菌(Enterobacter ludwigii)和弗氏柠檬酸杆菌(Citrobacter freundii).以乳酸为底物,两株纯菌可分别获得0.10V和0.17 V的最大电压.该研究表明,应用氧化铁为指征的厌氧梯度稀释培养技术可分离到电极活性微生物,但由于分离过程的选择作用,微生物群落结构动态变化特征显著.     

盐度对MFC产电及其微生物群落的影响

本文研究了模拟废水中不同盐度对微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)性能的影响.当向MFC中依次添加0,20,40,60,70g/L NaCl时,MFC的最大输出电压从660mV下降到130mV,库仑效率也从67%下降到4%.如果向MFC中直接添加40g/L和70g/L NaCl并运行两个周期后,MFC无电能输出,然而,停止添加NaCl(盐度解除)后MFC产电性能能够在60h内恢复.此外,当盐度高于40g/L NaCl时,阳极微生物群落发生明显的变化.研究结果可为MFC或其他生物反应器处理盐度废水提供一定的依据.     

微生物燃料电池阳极室内电子受体竞争研究

采用不锈钢金属丝阳极构建了管状单室无质子交换膜空气阴极微生物燃料电池(MFC),并以葡萄糖为唯一电子供体,研究了该MFC的性能. 分别以含葡萄糖、葡萄糖+硝酸钾、葡萄糖+硫酸钠、葡萄糖+氯化铁的培养液注入MFC,分析和检测MFC外接电阻上的电压与各底物的起止浓度. 结果表明,MFC室内的电子受体氧化还原势越高,对固体电极接受和传输电子的影响越大,固体电极接受电子的能力介于NO₃-和SO₄2－之间,接近Fe3+.      

基于微生物燃料电池技术的多元生物质生物产电研究进展

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是一种使用微生物作为催化剂,直接将生物质能转化为电能的装置,为生物质的利用提供了新的途径.底物类型和底物浓度对于MFC的性能至关重要.使用小分子酸、醇或葡萄糖等简单有机物为底物时,MFC功率输出较高.但当底物为结构复杂的有机物时,为了提高MFC功率输出和底物降解效率,可以采用物理、化学手段对其进行预处理、采用天然菌群进行生物预降解或者添加简单有机物进行底物强化.基于多元生物质MFC技术未来将应用于污水中生物质能回收、偏远地区供电和生物传感器等方面.     

铁酸锰活性炭阴极催化剂的制备与对微生物燃料电池产电性能的影响

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阴极的氧化还原反应能力对MFC的产电性能起着至关重要的作用,因此,本研究制备了铁酸锰/活性炭(MnFe₂O₄/AC)并对其进行材料学表征,研究其作为MFC空气阴极催化剂时产电和污水处理效果.研究表明,MnFe₂O₄和AC物质的量比为1:3时MFC电功率密度最高,达302.7mW/m².在峰值电压附近维持时间长达200h,维持时间是传统Pt/C催化剂MFC的4倍,库伦效率达到17.45%.在催化剂重复利用实验中发现,在相同的运行时间内,采用Pt/C催化剂的MFC电压下降明显,而采用MnFe₂O₄/AC催化剂的MFC电压基本保持稳定,证明了MnFe₂O₄/AC催化剂良好的循环稳定性.污水处理效果方面,MnFe₂O₄和AC物质的量比为1:3时处理效果最好,COD去除率达74.66%.因此,MnFe₂O₄/AC催化剂制备简单、价格低廉、电化学性能稳定,在提高MFC产电持久性方面具有实际意义.     

双室微生物燃料电池利用乙酸钠和淀粉产电研究

研究了厌氧活性污泥接种的双室微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs) 分别供给以乙酸钠和淀粉为底物的人工配水的产电情况和有机物去除效果. 结果表明,MFCs中能量的输出与底物的种类有关,使用乙酸钠和淀粉达到的最大输出电压分别为0.43和0.39 V,最大功率密度分别为36.03和 6.32 mW/m2,简单底物的输出电压和功率密度高于复杂底物. MFCs在产电同时还可有效去除水中的有机物,288 h时以乙酸钠和淀粉为底物的MFCs中TOC的去除率分别为91.15%和83.20%,NH₃-N的去除率分别为90.31%和86.20%. 扫描电镜发现,2种底物下MFCs阳极表面的微生物形态差异显著,以乙酸钠为底物的MFCs阳极表面生物相主要为杆菌和弧菌;以淀粉为底物的阳极表面主要是球菌,表明不同底物条件下MFCs中所形成的微生物优势种群也不同.      

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.     

微生物燃料电池处理难降解有机废水研究现状

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物将有机物直接转化为电能的技术。MFC用于处理难降解有机废水,既可提高废水处理效果,又能产生电能,该技术是近年来的研究热点。从MFC的反应器构型、产电性能和有机物去除效果几个方面讨论了MFC处理难降解有机废水的现状和发展趋势。