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.     

硝酸盐浓度对微生物燃料电池阳极产电性能的影响

采用以假单胞菌Pseudomonas sp.C27为阳极优势菌属的微生物燃料电池(MFC)为研究对象,重点考察了进水中的硝酸盐浓度对于MFC系统产电及污染物去除的影响.实验结果表明,硝酸盐对于MFC的库仑效率(CE)影响较大,当硝酸盐浓度为250 mg·L~(-1)时,其电压下降段库仑效率仅为0.17%,而阳极未加入硝酸盐时,库仑效率为9.3%.当阳极初始硝酸盐浓度由0 mg·L~(-1)增加到250 mg·L~(-1)时,系统的传荷内阻由16.3Ω下降至11.2Ω,输出电压经短暂的电压下降后迅速回升至稳定,其稳定阶段输出电压与未受抑制阶段基本持平,最大输出功率可达到120 m W·m~(-2)左右.当硝酸盐浓度大于300 mg·L~(-1)时,硝酸盐对阳极微生物产电活性造成不可逆的抑制作用,系统产电能力大幅度下降且无法恢复至未受抑制阶段.可见,阳极生物反硝化过程对阳极生物产电具有电子竞争作用,过高的硝酸盐浓度会造成阳极生物膜产电性能降低甚至完全丧失.     

底物浓度和缓冲液浓度对MFC性能影响研究

实验研究了阳极室进口底物浓度和缓冲溶液浓度对碳刷阳极微生物燃料电池产电性能的影响,并利用循环伏安法考察了不同条件下阳极生物膜的电化学活性。结果表明,电池的功率密度随进口底物浓度的增加而增大;在进口底物浓度为500 mg COD/L时,其达到饱和。随着缓冲液浓度的增加,电池的功率密度增大,这是由于缓冲液不仅维持了阳极室及阳极生物膜的p H,而且增强了阳极电解液的离子强度。循环伏安测试结果进一步证实了不同条件下电池的产电性能。     

氧四环素的微生物燃料电池处理及微生物群落

氧四环素(OTC)作为一种广谱性抗生素而被大量使用,其滥用不仅直接破坏生态系统,更容易引起微生物耐药性和抗性基因污染等问题.本研究利用微生物燃料电池(MFC)处理OTC,研究OTC在MFC不同运行时期的去除率变化情况,发现在运行150 d后,MFC对10 mg·L-1OTC的去除率在132 h达到99.0%.利用高通量测序技术分析并比较了原始接种猪粪与运行150 d后MFC阳极生物膜的微生物群落结构,发现厚壁菌门(Firmicutes)处于优势地位,但相比于原始接种猪粪,MFC生物膜上的变形菌门(Proteobacteria)的丰度从2.84%提高至8.92%~22.75%,此外,真细菌属(Eubacterium)的比例从几乎为0.00%显著提高至20.49%~49.00%.根据现有研究报道,Eubacterium spp.对多种氧杂环芳香族化合物具有一定的生物降解能力,本研究表明Eubacterium spp.可能是一类具有较强OTC降解能力的功能微生物.     

羧基化碳纳米管载铂催化剂对微生物燃料电池阴极氧还原性能的影响

阴极催化剂是影响微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)性能的关键要素.为了考察不同羧基化方法改性的碳纳米管(carbon nanotube,CNT)负载Pt的催化氧还原效率,分别在80℃和95℃条件下对CNT进行了羧基化,采用浸渍-沉淀法制备了Pt/CNT催化剂(Pt/CNT-80和Pt/CNT-95),并在空气阴极MFC体系中验证了其催化氧还原效果(MFC-80、MFC-95和MFC-C).结果表明,MFC-95和MFC-80的最大功率密度分别为568.8 mW.m-2和412.8 mW.m-2,内阻分别为204.7Ω和207.7Ω,开路电压分别为0.719 V和0.651 V.而对照MFC-C的最大功率密度仅为5.4 mW.m-2,内阻为826.2Ω.XPS和XRD分析结果显示,Pt/CNT-95催化氧还原效果优于Pt/CNT-80,原因可能是95℃羧基化过程在CNT表面引入了丰富的含氧基团.     

微生物燃料电池强化去除农药2,4-二氯苯氧乙酸及同步产电性能

研究了广泛应用的农药2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)存在对微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFCs)产电性能、污染物去除及微生物群落结构的影响,并探讨了阳极预曝气对2,4-D的强化去除及产电影响.结果表明,向以乙酸钠为燃料的双室型微生物燃料电池阳极室内加入2,4-D,会降低系统输出电压,降低功率密度,增加内阻.当300 mg·L~(-1)的2,4-D与乙酸钠(850 mg·L~(-1))共存时,与乙酸钠单基质相比,最大功率密度从0.151 W·m~(-2)迅速下降到0.057 W·m~(-2),内阻相应从524Ω增加到1 230Ω.为了加快系统中2,4-D的去除,减少其对产电菌的抑制效应,采用阳极预曝气6 h的运行方式,显著提高了2,4-D去除效率,同时获得了0.42~0.47 V的最高输出电压.2,4-D加入后MFC阳极微生物群落结构发生了变化,选择出了多种2,4-D降解菌及具有2,4-D耐受能力的产电菌.研究表明,可以通过阳极预曝气方式强化2,4-D去除的同时从MFCs系统回收电能.     

光合微生物燃料电池处理餐厨沼液的性能研究

采用小球藻作为双室光合藻微生物燃料电池（PAMFC）的阴极以提供电子受体,实现污水处理和能量回收的双重目的.研究生物阴极接种方式和光照条件对生物产电性能和餐厨沼液废水处理效果的影响,并通过循环伏安法（CV）研究PAMFC电极极化和产电机制.结果表明：微藻生物膜阴极PAMFC污染物去除和产电性能表现优于对照组,COD,TN和TP去除率最高可达82.4%,54.5%和82.3%,开路电压和最大功率密度分别达603.0mV和41.5mW/m².污染物去除主要在阳极发生,但阴极能够还原去除来自阳极的铵根离子,且阴极反应产生氧气作为阳极的电子受体,增大系统电流,提高了阳极处理效率.持续光照下,PAMFC产电性能和污染物去除率略高于间歇光照,但是间歇光照可以避免阳极基质不足时阴极光饱和和氧饱和情况,更符合连续运行要求.PAMFC阴极的CV曲线显示,具有微藻阴极的实验组输出电压更大,还原峰更高,功率密度更强,但需注意长期运行时微藻生物膜增厚影响氧传质效率的问题.     

光合微生物燃料电池处理餐厨沼液的性能研究

采用小球藻作为双室光合藻微生物燃料电池（PAMFC）的阴极以提供电子受体,实现污水处理和能量回收的双重目的.研究生物阴极接种方式和光照条件对生物产电性能和餐厨沼液废水处理效果的影响,并通过循环伏安法（CV）研究PAMFC电极极化和产电机制.结果表明：微藻生物膜阴极PAMFC污染物去除和产电性能表现优于对照组,COD,TN和TP去除率最高可达82.4%,54.5%和82.3%,开路电压和最大功率密度分别达603.0mV和41.5mW/m².污染物去除主要在阳极发生,但阴极能够还原去除来自阳极的铵根离子,且阴极反应产生氧气作为阳极的电子受体,增大系统电流,提高了阳极处理效率.持续光照下,PAMFC产电性能和污染物去除率略高于间歇光照,但是间歇光照可以避免阳极基质不足时阴极光饱和和氧饱和情况,更符合连续运行要求.PAMFC阴极的CV曲线显示,具有微藻阴极的实验组输出电压更大,还原峰更高,功率密度更强,但需注意长期运行时微藻生物膜增厚影响氧传质效率的问题.     

黄铜矿在含铁酸性介质中氧化过程的电化学研究

以天然黄铜矿为研究对象,运用开路电位,循环伏安曲线,Tafel极化曲线和交流阻抗(EIS)等电化学手段,对在硫酸介质中三价铁离子对黄铜矿的氧化过程的电化学行为进行了研究.结果表明,黄铜矿在酸性介质中的氧化可能通过两步反应完成,第一步中电极表面形成了一层主要成分是含硫中间产物的钝化膜,第二步则是黄铜矿主体的氧化.Fe3+离子有助于黄铁矿的直接氧化,在黄铜矿的溶解过程中起到了重要作用.极化曲线测量的结果显示随着溶液中Fe3+离子浓度的增加,黄铜矿的极化电流也在增加,黄铜矿也更容易进入钝化阶段.同时,交流阻抗对Fe3+离子浓度改变的响应也很敏感.     

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.     

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1 a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16S rRNA基因序列与Pseudomonas aeruginosa strain CMG 587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352 mV,相应的最大面积功率密度为69.2 mW/m²,体积最大功率密度为6.2 W/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.     

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.     

EM菌组成鉴定及其消除垃圾渗滤液恶臭研究

实验将EM原液加入到适合不同菌种生长的固体培养基中分别培养分离,通过观察培养基上生长出的菌落形态和数量,结合培养基适合培养的细菌种类,鉴定出组成EM有效微生物的主要菌种,并将其用于垃圾渗滤液的除臭。结果表明:组成EM原液的有效微生物的主要菌种是乳酸菌、光合细菌、酵母菌、乙酸菌。当EM菌剂浓度为10%时,除臭效果较好。     

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...     

微生物燃料电池降解焦化废水过程研究

焦化废水生化处理流程复杂,污染物降解过程尚不明确,构建无膜空气阴极焦化废水微生物燃料电池,利用循环伏安法、红外分析、微生物群落结构等分析考察了焦化废水的降解过程中,各类有机物含量变化、官能团的变化、有机物异步降解次序及优势菌种的演替.焦化废水中含硫无机物被优先降解,酚类降解次之,含氮污染物历经好氧硝化与厌氧反硝化降解过程,但落后于前者;长链烷烃类降解缓慢;生物群落结构与底物中有机物种类密切相关,初期Desulfurella优先氧化含硫污染物、Flavobacterium降解酚类次之、Nitrospirae氧化降解NH₄⁺-N较为缓慢,随时间延长Alcaligenes、Thiobacillus演变为优势菌落,实现了酚类的降解及NO₃^-的反硝化降解;电池输出电压为470.9mV,最高输出功率密度达12.5mW/cm²,COD、T_phenols、T_surful、TN、NH₄⁺-N的降解分别为85.8%、83.3%、87.5%、43.8%、89.9%.利用微生物燃料电池技术处理焦化废水,一步实现水质净化及能量回收,为废水生物处理控制提供理论和实践参考.     

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+.