抗生素與微生物燃料電池之間的雙向影響研究

高國彬 張宏偉 單子岳 宗天宇

摘 要：在石油能源日益短缺的今天，微生物燃料電池（MFC）越來越受到人們的青睞，而抗生素則是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)必不可少的一類殺菌藥物。本實(shí)驗(yàn)將探究MFC與抗生素間的雙向影響關(guān)系，觀測抗生素對產(chǎn)電微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)判別MFC對于抗生素的降解是否有效，為MFC的前景發(fā)展提供基礎(chǔ)，積極響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池;抗生素;雙向影響

引言

能源危機(jī)是全世界面臨的重大問題之一，而全球變暖也使得極端氣候頻繁出現(xiàn)，人們開始關(guān)注其他可替代型能源。微生物燃料電池（MFC）是一種新型的產(chǎn)電裝置，它利用電化學(xué)活性微生物作為催化劑，能將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，理論上其能量轉(zhuǎn)化效率相對于傳統(tǒng)的能源間接轉(zhuǎn)換方式要更高。除此之外，MFC在常溫環(huán)境條件下也可正常運(yùn)行，且由于其產(chǎn)生氣體主要成分為二氧化碳，故不需要進(jìn)行廢氣處理。MFC在廢水處理、生物醫(yī)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用前景，如：MFC可以利用海底淤泥中的有機(jī)物和微生物，在海底為無人值守產(chǎn)電裝置產(chǎn)電;也可以利用少部分血糖為超微型心臟起搏器供電[1]。

抗生素是目前應(yīng)用最為廣泛的抑菌、殺菌藥物，由于其價(jià)格低廉、易于提取，在醫(yī)學(xué)上被大量應(yīng)用，也正因?yàn)榭股氐臑E用導(dǎo)致了出現(xiàn)一些新問題，如耐藥菌的產(chǎn)生及DNA污染等。人們因抗生素的濫用付出了代價(jià)，因此，如何減少抗生素的濫用成為了一個(gè)刻不容緩的問題。

由于MFC可用于處理廢水，在其推廣過程中可能會(huì)遇到水體中抗生素積累的問題，而微生物作為MFC的重要組成部分可能會(huì)受到影響，進(jìn)而影響MFC的產(chǎn)電效率。探究清楚抗生素與微生物燃料電池性能的雙向影響，可以有效地為MFC的后續(xù)發(fā)展提供便利條件，同時(shí)對抗生素的降解和減少環(huán)境污染也有很重要的意義。

1? 實(shí)驗(yàn)方案

制備陽極培養(yǎng)液和陰極培養(yǎng)液各1L，組裝微生物燃料電池反應(yīng)器3組。設(shè)置三組平行實(shí)驗(yàn)，MFC采用雙室模型。

雙室MFC由兩個(gè)電極室組成， 一個(gè)為厭氧室（陽極室），另一個(gè)為好氧室（陰極室）。在厭氧室， 物質(zhì)被微生物氧化， 電子被外加載體或者介體轉(zhuǎn)移到陽極。在好氧室，電子通過外電路、質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜分別到達(dá)陰極化合形成水。[2]

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置三組平行實(shí)驗(yàn)。第一組MFC正常運(yùn)行，作為空白對照組;第二組MFC在實(shí)驗(yàn)周期穩(wěn)定期時(shí)加入一定含量的抗生素，取抗生素加入一段時(shí)間后后電極上的微生物，觀測其群落結(jié)構(gòu)與空白組微生物群落結(jié)構(gòu)區(qū)別;第三組MFC在試驗(yàn)周期穩(wěn)定時(shí)加入一定量的抗生素，并斷開電路。

1.1? 培養(yǎng)液配置

本實(shí)驗(yàn)接種微生物為污水池活性污泥，取回后靜置，傾倒上端上清液，與培養(yǎng)液按體積比1：3混合后接種到微生物燃料電池陽極室。

陰極培養(yǎng)液為0.4mol/L NaCl和0.2mol/L K3[Fe（CN）6]以3：2體積比配制而成的混合液。

1.2? 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1? 微生物群落分析

MFC反應(yīng)器共設(shè)置三組。每組具體實(shí)驗(yàn)步驟見下。

第一組：通路情況下持續(xù)進(jìn)行微生物燃料電池的運(yùn)行，分析微生物群落結(jié)構(gòu)。

第二組：穩(wěn)定期時(shí)在陽極加入一定量的抗生素，一定時(shí)間后取陽極上的生物膜，進(jìn)行微生物群落的分析，同時(shí)進(jìn)行第一組陽極上微生物群落結(jié)構(gòu)的分析。

第三組：穩(wěn)定期時(shí)在陽極加入一定量的抗生素，同時(shí)將電路斷路，分析微生物群落結(jié)構(gòu)。

為了確保微生物樣品具有代表性，本實(shí)驗(yàn)取樣時(shí)間定為MFC系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)電后30天，將樣品置于顯微鏡下觀察進(jìn)行半定量分析。

1.2.2? MFC產(chǎn)電性能比較

三組都進(jìn)行極化曲線與循環(huán)伏安法分析，比較三者異同。

（1）極化曲線測定：MFC所產(chǎn)生的電壓U通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集.由歐姆定律計(jì)算電流I， 電流密度J=I/A， 功率密度P=IU/A，

其中A為陽極面積。MFC的陰、陽極電勢以飽和甘汞電極為參比電極進(jìn)行測量。

極化曲線采用穩(wěn)態(tài)放電法測量， 實(shí)驗(yàn)過程中在電極兩端連接50～10 000Ω的一系列負(fù)載電阻， 每個(gè)阻值下穩(wěn)定約1 h后測量負(fù)載電阻兩端的電壓。計(jì)算電流、電流密度和功率密度后， 將電壓和功率密度對電流密度分別作圖， 得到極化曲線和功率密度曲線。

（2）循環(huán)伏安法：電極開路一小時(shí)后，陽極作為工作電極，陰極為對電極，連接參比電極并放置于陽極當(dāng)中，進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，設(shè)置掃描范圍為-0.5V至0.5V（Vs.SHE），掃速設(shè)置為1-5mV/s。

循環(huán)伏安曲線的處理方法：陰極反應(yīng)的電流稱為陰極電流，對應(yīng)還原峰;陽極反應(yīng)的電流稱為陽極電流，對應(yīng)氧化峰。一般國內(nèi)規(guī)定陰極電流用正值陽極用負(fù)值，國外很多文獻(xiàn)反之。通常，氧化峰位于較正的電位而還原峰位于較負(fù)的電位，這是極化作用的結(jié)果。

1.2.3? 抗生素降解性能分析

在穩(wěn)定期，三組都定時(shí)測定陽極水質(zhì)中抗生素的含量。本實(shí)驗(yàn)采用的抗生素測試樣品為四環(huán)素，由于不同濃度的四環(huán)素吸光度不同，可利用分光光度法進(jìn)行測定。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1? 伏安特性曲線分析

各組MFC運(yùn)行產(chǎn)電情況用循環(huán)伏安法測量結(jié)果見下。

（1）第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下圖。本組實(shí)驗(yàn)無抗生素影響，電路閉合，為空白對照組。從圖中可分析出MFC隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，其產(chǎn)生電動(dòng)勢及電流基本可認(rèn)為穩(wěn)定增加，直到一個(gè)閾值。陽極反應(yīng)為

陰極反應(yīng)為

（2）第三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下圖。本組實(shí)驗(yàn)在本組實(shí)驗(yàn)在陽極液中加入20mg四環(huán)素，其余培養(yǎng)液成分不變，電路斷開。

圖1中黑色曲線為空白組伏安特性曲線，紅色曲線為第三組實(shí)驗(yàn)伏安特性曲線。兩組曲線對比可發(fā)現(xiàn)，第三組實(shí)驗(yàn)在加入四環(huán)素并保持?jǐn)嗦窌r(shí)，在同等電動(dòng)勢的情況下，產(chǎn)生的電流要高于對照組。原因可能是四環(huán)素的加入會(huì)刺激微生物的增長。

由以上結(jié)果可看出，加入四環(huán)素的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)電量高于不加入的空白組，說明抗生素在一定條件下有利于MFC的運(yùn)行。但MFC必須保持閉路狀態(tài)，否則隨著時(shí)間的推移，微生物的生長將會(huì)受到抗生素的抑制，從而降低MFC的產(chǎn)電能力。

2.2? 分光光度法曲線分析

王晰等人用離子液體萃取分光光度法測定水中四環(huán)素類抗生素，在380nm處有最大吸收峰。本次實(shí)驗(yàn)采用此方法測量三組實(shí)驗(yàn)中剩余的抗生素量，共測量了10天的變化量。

由第二組和第三組曲線對比，可分析出在電路閉合狀態(tài)下，隨著時(shí)間的推移，第二組吸光度下降的速率要高于第三組。即在通路狀態(tài)下，MFC中微生物降解四環(huán)素的效率要高于斷路狀態(tài)下的降解效率。

3? 結(jié)語

MFC中的微生物生長繁殖受抗生素影響，但它們也會(huì)將一定量的抗生素分解。本次實(shí)驗(yàn)可在一定程度上表明適量的抗生素對MFC的運(yùn)行是有利的，且對抗生素的無害化也有一定的幫助。由于實(shí)驗(yàn)室條件與實(shí)際環(huán)境條件有一定的差別，而人們對于MFC的實(shí)際應(yīng)用仍有許多需要解決的問題，因此若要在實(shí)際生活中大規(guī)模應(yīng)用MFC，需要更深入和更全面的研究。由于MFC具有能量轉(zhuǎn)化效率高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展前景依舊十分樂觀。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐功娣，李永峰，張永娟，等.微生物燃料電池原理與應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2012：244-245.

[2]賈斌，李小明，劉志華，楊麒，廖德祥，曾光明，鄒高龍，胡勁梅，劉精今.雙室和單室微生物燃料電池的研究及比較[J].環(huán)境污染與防治，2008（05）：74-77+82.