混菌接种条件下微生物燃料电池芯片的产电特性研究

微生物燃料电池(MFC)芯片因具有体积小、运行条件温和、产电稳定等优点而有可能成为一种新型的野外水环境监测系统中传感器供能方式.但目前采用纯菌种及贵重金属阳极构建的MFC芯片,不仅成本较高且纯菌种在复杂环境条件下不易存活和保持稳定.因此,本文通过采用混合菌群接种,以活性炭为阳极,构建了阳极体积为50μL的MFC芯片,发现其稳定运行最大输出电流为3.5μA,平均运行周期为8.0 h,最大输出功率约为160 nW,最大功率密度为10.2 mW·m-2.EIS分析结果表明,MFC芯片的总内阻约为35.6 kΩ,其中,阴阳极内阻占主要部分.本研究制备的MFC芯片产电性能达到了同类采用纯菌株及Au作阳极的MFC芯片的性能,表明采用低成本材料为阳极,接种混合菌液的MFC芯片是完全可行的.     

佛山水道底泥重金属污染调查

为了解佛山水道底泥的污染状况,对佛山水道底泥重金属的总体水平及其潜在生态危害进行了调查.结果表明,佛山水道底泥重金属的质量比处于较高水平,Hg的平均质量比达到背景值的20倍,As的平均质量比是背景值的2倍多.根据潜在生态危害指数法的评价结果,佛山水道底泥重金属对生态系统的危害已达到很强的程度;各种重金属的生态危害排序为:Hg＞Cd＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Zn,其中Hg的生态危害已达到了极强的程度.     

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.     

2种不同结构的微生物燃料电池的产电性能比较

微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）目前仍面临着产能低和成本高的问题,因此系统比较同样条件下不同结构MFC的产电性能对于最终提高其产电效率具有重要意义.通过构建2种不同结构的MFC反应器：单室型MFC和双室型MFC,以乙酸为燃料,固定外电阻为1 000 Ω,对其产电性能进行了比较研究.结果表明,单室型MFC和双室型MFC均可稳定地输出电能,平均最大输出电压分别为600 mV和650 mV,平均运行周期分别为110 h和90 h;单室型MFC和双室型MFC的最大面积功率密度分别为113.8 mW/m²和382.4 mW/m²,最大体积功率密度分别为1.3 mW/m³和2.2 mW/m³;根据稳态放电法确定双室型MFC的内阻为188 Ω,单室型MFC的内阻为348 Ω,双室型MFC的产电性能及运行稳定性均优于单室型MFC.阳极的面积和质子通道的大小都会对MFC的库仑效率产生影响.     

1株产电假单胞菌(Pseudomonas sp.)RE7的分离及特性研究

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的影响.从已稳定运行1a的MFC的阳极室分离得到1株电化学活性革兰氏阴性细菌——菌株RE7,其16SrRNA基因序列与Pseudomonas aeruginosastrain CMG587有99%同源性,属于假单胞菌属(Pseudomonas sp.).利用菌株RE7构建的MFC的稳定产电和循环伏安曲线测定结果都表明,菌株RE7具有较强的电化学活性,利用菌株RE7构建的MFC的最大输出电压为352mV,相应的最大面积功率密度为69.2mW/m2,体积最大功率密度为6.2W/m3.由不同稀释比例的MFC排出液的产电效果比较可知,菌株RE7极有可能是通过自身分泌的氧化还原类物质进行电子传递.     

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.     

基质COD浓度对单室微生物电解池产甲烷的影响

单室微生物电解池(microbial electrolysis cells,MEC)产甲烷过程中,底物COD浓度可同时影响阳极和阴极微生物的活性.为了探究COD浓度的影响,构建生物阴极型单室MEC,比较COD为700、1 000、1 350 mg·L-1情形下产甲烷速率和COD去除量随外加电压的变化规律,并计算MEC的能量效益.结果表明,随着COD的增加,产甲烷速率和COD去除量均呈增大趋势.随着外加电压的升高(0.3~0.7 V),低COD条件下MEC的产甲烷速率呈增大趋势,而在中、高COD条件下,产甲烷速率随着外加电压的升高先增大后减小;COD去除量的变化规律与产甲烷速率一致.当外加电压为0.5 V时,阴极电势降至最低值(-0.694±0.001)V,有利于产甲烷菌的富集,从而获得最高的产甲烷速率和能量回收率(约42.8%).COD浓度1 000mg·L-1和外加电压0.5 V时,MEC可获得最大的能量收益0.44 k J±0.09 k J(约1 450 k J·m-3).最终结果表明,MEC可利用低浓度COD废水生产甲烷,并且可获得正的能量效益,这为废水中化学能量的回收利用提供了新的研究思路.     

羧基改性阴极对微生物电合成系统产乙酸性能的影响机制

微生物电合成系统(microbial electrosynthesis systems,MESs)可利用微生物将二氧化碳转化为有价化合物,有望实现温室气体的资源化利用,然而,其合成效率仍需进一步提高.本研究通过电化学还原重氮盐反应将特定的官能团—COOH接枝到碳布电极表面,探究改性阴极对于MESs性能的影响.结果发现,经—COOH改性的阴极材料亲水性显著提高,而循环伏安扫描电流变弱. MESs在启动阶段性能差异最大,运行48 h,改性组CA-H、CA-M、CA-L的产氢速率是CK的21. 45、28. 60和22. 75倍;运行120 h,CA-H、CA-M和CA-L的乙酸累积浓度是CK的2. 01、2. 43和1. 44倍. MESs运行324 h后,各阴极的电化学活性无明显差异,生物膜蛋白量无明显差异(～0. 47 mg·cm~(-2)).阴极生物膜的群落结构分析发现,属水平上由Acetobacterium、norank_p_Saccharibacteria和Thioclava占据主导,总相对丰度占到59. 6%到82. 1%;各阴极之间产乙酸功能菌Acetobacterium的相对丰度差别不大(31. 3%～40. 1%),而消耗乙酸的norank_p_Saccharibacteria属在CA-H、CA-M、CA-L和CK的相对丰度分别为:16. 1%、24. 6%、31. 1%和37. 5%.羧基改性阴极对MESs的启动阶段影响较大,可为MESs的快速启动提供新的思路.     

不同外电压下自养型生物阴极还原硫酸盐的性能及生物膜群落响应

微生物电解系统(microbial electrolysis system,MES)生物阴极还原去除环境污染物的过程中,外加电压的大小可显著影响其性能,阴极生物膜作为去除污染物的关键因子,其对外电压改变的响应尚属未知.本研究构建了双室MES,比较外电压为0.4、0.5、0.6、0.7和0.8 V情形下自养型生物阴极的硫酸盐还原特性及生物膜胞外聚合物和群落结构特征.结果表明,MES的输出电流、周期电荷量、COD去除量与外加电压(0.4~0.8 V)呈正相关关系;外加电压为0.4~0.8 V时,硫酸盐还原量随着电压的升高先升高后降低,在0.7 V时获得最大硫酸盐还原速率[78.9 g·(m3·d)-1]和最高S2-出水浓度(31.9 mg·L~(-1)±2.2 mg·L~(-1));MES的电子回收率最高值为41.8%,推测产氢可能是电子损失的一个途径.阴极生物膜的聚多糖和蛋白量随外电压的升高而增加,0.8 V电压下的生物量比0.4 V提高了70%.阴极生物膜群落结构分析发现,Proteobacteria在门水平分布中占主导,Desulfovibrio在属水平分布中占主导,Desulfovibrio的相对丰度并未随着外加电压的升高发生明显的波动,表明Desulfovibrio在利用阴极呼吸代谢方面具有独特的优势.种水平分析发现,Desulfovibrio magneticus RS-1和s_unclassified_g_Desulfovibrio随着外电压的改变呈现相反的变化趋势.