混合菌群與單菌株微生物燃料電池產(chǎn)電性能初步研究

趙 磊，宋加妹，于俊偉，孫東平

（1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京210094；2.南京理工大學 連云港研究院，江蘇 連云港222006）

微生物燃料電池（MFC）是一種將生物能轉(zhuǎn)化為電能的新興的產(chǎn)能方式[1］，其燃料來源廣泛、操作條件溫和，同時資源利用率高，二次污染小，是環(huán)境與能源領域近年來持續(xù)的研究熱點[2］，相關研究主要集中在提高輸出功率與降低生產(chǎn)成本兩方面。按電池中微生物的種屬是否單一，微生物燃料電池分為單菌電池與混菌電池。相比于混菌系統(tǒng)復雜的競爭關系，單菌系統(tǒng)更有利于篩選產(chǎn)電優(yōu)勢菌種，且更便于微生物產(chǎn)電代謝過程的研究[3－6］。作者以厭氧污泥為原始菌群來源構建混菌微生物燃料電池，從陽極分離獲得一株產(chǎn)電優(yōu)勢菌，鑒定其種屬并構建單菌微生物燃料電池，研究了其產(chǎn)電及代謝性能。

1 實驗

1.1 微生物燃料電池反應器

本實驗采用雙室微生物燃料電池系統(tǒng)，如圖1所示。陰極室與陽極室結(jié)構相同，材質(zhì)為有機玻璃。兩室以質(zhì)子交換膜（浙江千秋水處理公司）分隔。兩室上部均開有3個直徑10mm的小孔，中孔用于固定電極，兩邊孔用于取樣、投料、曝氮（陽極），電池運行過程中，邊孔用橡膠塞封住。陽極電極與陰極電極為碳紙，連接導線。外電路負載定值電阻。

圖1 雙室微生物燃料電池反應器照片F(xiàn)ig.1 Kind pictures of dual－chamber microbial fuel cell reactor

1.2 混菌微生物燃料電池的構建

原始菌群來源于南京城東污水處理廠厭氧污泥，采用固定時間添加底物的方式，經(jīng)過一段時間馴化，產(chǎn)電菌能夠很好地富集在碳紙電極上。

每次添加底物后，陽極均需要充分曝氮。

運行過程中，微生物燃料電池置于隔水式恒溫（30℃）培養(yǎng)箱。

實驗用陰、陽極溶液量均為200mL。

陽極溶液為自配培養(yǎng)基，成分（g·L－1）為：

陰極溶液為鐵氰化鉀緩沖溶液[7］，成分（g·L－1）為：K3[Fe（CN）6］16.5，NaH2PO4·2H2O 0.4，Na2HPO4·12H2O 6.0。

1.3 產(chǎn)電菌的分離與鑒定

將穩(wěn)定運行的碳紙陽極取出，在無菌環(huán)境下用蒸餾水沖洗，收集沖洗后蒸餾水，稀釋，涂平板，平板培養(yǎng)基成分為陽極培養(yǎng)基加瓊脂，并額外用石蠟鋪于培養(yǎng)基上方制造厭氧環(huán)境。最終分離純化出一株產(chǎn)電菌，用顯微鏡觀察其形態(tài)，并進行生理生化實驗鑒定該菌種屬。

1.4 單菌微生物燃料電池的構建及性能研究

除使用的微生物為分離獲得的優(yōu)勢菌外，其余條件均與1.2相同。

測定穩(wěn)定運行后的單菌微生物燃料電池的電壓－電流曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 混菌電池馴化過程中的電壓－電流曲線

不同馴化時間下的電壓－電流曲線見圖2。

圖2 不同馴化時間下的電壓－電流曲線Fig.2 The voltage－current curves at different domestication times

微生物燃料電池系統(tǒng)中的內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻和非歐姆內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻的主要特征就是電壓－電流曲線呈線性。由圖2可知，各電壓－電流曲線均近似呈直線，可以認為在馴化過程中，電池的內(nèi)阻以歐姆內(nèi)阻為主。同時，電壓－電流曲線的斜率等于內(nèi)阻，隨著馴化時間的延長，曲線斜率顯著減小，即內(nèi)阻減小，也就意味著微生物富集良好。

2.2 混菌電池馴化過程中的功率密度－電流密度曲線（簡稱功率密度曲線）

功率密度曲線通過電壓－電流曲線計算獲得，見圖3。

圖3 不同馴化時間的功率密度曲線Fig.3 The power density curves at different domestication times

功率密度最大值點對應的外電阻值即為電池內(nèi)阻。由圖3可知，隨著馴化時間的延長，系統(tǒng)的功率密度顯著增大，也是微生物富集良好的證明。20h時最大功率密度只有50mW·m－2，擬合計算的歐姆內(nèi)阻有480Ω；840h后，最大功率密度達到了1900mW·m－2，內(nèi)阻降至53Ω。

2.3 產(chǎn)電菌的形態(tài)及鑒定

用顯微鏡觀察產(chǎn)電菌的形態(tài)，見圖4。進一步進行生理生化實驗，結(jié)果見表1 。

圖4 產(chǎn)電菌的顯微照片F(xiàn)ig.4 Microscope image of the electricity generation bacterium

表1 產(chǎn)電菌的生理生化鑒定結(jié)果Tab.1 Physiological and biochemical identification results of the electricity generation bacterium

結(jié)合圖1和表1 結(jié)果，細胞形態(tài)為球形，生長特性為兼性厭氧，對比伯杰細菌鑒定手冊[8］，鑒定該菌屬于葡萄球菌屬（Staphylococcus），將其命名為Staphylococcus NJUST－1。

2.4 NJUST－1微生物燃料電池的產(chǎn)電性能（圖5）

圖5 NJUST－1微生物燃料電池的功率密度曲線及極化曲線Fig.5 The power density curve and polarization curve of NJUST－1MFC

由圖5可知，運行穩(wěn)定后NJUST－1微生物燃料電池的最大功率密度為520mW·m－2，明顯低于混菌電池，說明混菌的協(xié)同作用提高了NJUST－1的產(chǎn)電水平[9］。極化曲線上，電流密度達到0.18mA·cm－2后，電壓快速下降，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是在較大電流通過時，對NJUST－1的代謝產(chǎn)生了阻礙作用，從而導致電壓下降。而混菌系統(tǒng)對環(huán)境的適應性普遍好于單菌系統(tǒng)，因此其極化曲線上沒有反映得如此明顯，而是始終保持良好的線性（略）。

2.5 NJUST－1微生物燃料電池產(chǎn)電過程中對底物的消耗

NJUST－1微生物燃料電池一個放電周期內(nèi)電壓的變化以及溶液中葡萄糖含量的變化情況見圖6。葡萄糖的初始濃度為1.0g·L－1，外路負載為510Ω。

圖6 NJUST－1微生物燃料電池單周期產(chǎn)電及底物消耗曲線Fig.6 The electricity generation performance and substrate consumption curve of NJUST－1MFC in one cycle

由圖6可知，在加入葡萄糖后5～10h內(nèi)，外路電壓維持在較高水平，最高為500mV，此階段為NJUST－1代謝葡萄糖的旺盛時期，葡萄糖被大量利用，所以濃度也下降最快；當葡萄糖濃度降到0.1g·L－1時，NJUST－1進入代謝停滯期，外路電壓也快速降到了300mV左右，隨后電壓繼續(xù)下降；當葡萄糖濃度下降到接近0時，外路還能檢測到電壓。研究表明[10］，NJUST－1厭氧代謝葡萄糖是個不完全代謝的過程，可以進一步利用代謝的中間產(chǎn)物繼續(xù)進行二次代謝。

3 結(jié)論

（1）以厭氧污泥為原始菌群來源構建的混菌微生物燃料電池經(jīng)過一段時間的馴化后，功率密度逐漸增大，內(nèi)阻逐漸減小，840h時最大功率密度達到1900 mW·m－2、內(nèi)阻降至53Ω。電壓－電流曲線呈良好線性，證明電池內(nèi)阻以歐姆內(nèi)阻為主。

（2）從碳紙陽極分離出一株產(chǎn)電優(yōu)勢菌株，經(jīng)鑒定該菌屬葡萄球菌屬（Staphylococcus），命名為Staphylococcus NJUST－1。

（3）利用NJUST－1構建單菌微生物燃料電池。最大功率密度為520mW·m－2，明顯低于混菌電池，證明混菌的協(xié)同作用明顯提高了產(chǎn)電水平。

（4）電流密度達到0.18mA·cm－2后，電壓快速下降，表明在較大電流下NJUST－1微生物燃料電池產(chǎn)電受到阻礙。

（5）NJUST－1代謝1.0g·L－1葡萄糖5～10h內(nèi)，外路電壓維持在較高水平；當葡萄糖濃度消耗至0.1g·L－1后，電壓明顯下降；當葡萄糖濃度下降到接近0時，仍能檢測到電壓。

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