微生物电化学论文-MFC微生物产电能力和代谢过程电子向电极传递的机制.doc

天津理工大学2010届本科毕业论文 PAGE \* MERGEFORMAT 1 前 言 近年来,随着石油、天然气的日渐枯竭，传统煤炭发电体系造成污染的日益严重，太阳能、海洋能和生物能等可再生能源正日益受到了政府和科学家们的极大重视，作为可再生能源开发的主角，微生物在能源可持续开发中发挥了重要作用。而微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)的出现，便是最好的例证。但不可否认的是，由于技术条件的制约， 目前生物燃料电池的研究和使用还处于不成熟阶段：电池的输出功率小、使用寿命短，且阴极使用的电导液也存在腐蚀电极，污染环境等问题。为此，各国研究人员对微生物电池进行了深入研究。 2005年，来自美国俄亥俄州大学的科学家首先提出了使用牛瘤胃胃液中的微生物作为发电原料。随后，西班牙皇家化学学会也进行了相关的研究，并在他们公布的一项研究报告宣称，牛胃液中所含的细菌群在分解植物纤维的过程中能够产生电力，电能约与一节5号电池相当。虽然通过这种方式获得的电能比较小，但是就现在的研究来看，牛很有可能在将来的某一天成为便宜电能的来源，为能源匮乏的人类社会带来巨大效益。 如今，许多研究集中在MFC装置设计改进上以获得较大的功率输出，然而对MFC微生物产电能力和代谢过程电子向电极传递的机制的认识，有助于弄清生物学电子传递物质与电极间的相互作用和相容性，这是设计优良性能MFC系统和电极材料的基础。MFC中微生物学研究重点是找到那些能直接将电子传递给阳极的细菌，这类细菌被称之为产电细菌(electricigens)，即能够在厌氧条件下完全氧化有机物成CO2，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到电极上产生电流，同时自身在电子传递过程中获得能量支持生长的菌类。 目前，本课题组通过富集筛选和人工驯化，已成功获得纤维素降解菌群和产甲烷气菌群，在自主设计的200ml双室微生物产电模型中，以羧甲基纤维素、麸皮、干草等为发电底物时，输出电压平均为0.9V，产电周期超过180小时。尽管课题组已取得部分成绩，但距离电池的推广和实际应用还有较大距离，因此还需进一步研究。 据此，本研究在继承前期成果的基础上，拟以进化完善的瘤胃微生物共生体系为研究对象，在已筛选出的生理上相互依赖的纤维素降解菌群和产甲烷菌群的基础上，进行纤维素降解菌群和产甲烷菌群的16S rRNA生物学鉴定，确定其基因背景和亲缘关系，以便更采用分子生物学技术提高菌种产电能力，为进一步开发高效无毒的生物电极提供理论数据。 文献综述 瘤胃微生物双室电池的研究现状 微生物电池(Microbial fuel cell，MFC)是以微生物作为反应主体，利用微生物的代谢产物作为物理电极的活性物质，产生电位差，获得电能的装置。不仅无污染、效率高、反应条件温和，而且燃料来源广泛，因此微生物发电已成为了各国争相研究的课题。2005年，来自美国俄亥俄州大学的科学家首先提出了使用牛瘤胃胃液中的微生物作为发电原料。随后，西班牙皇家化学学会也进行了相关的研究，并在他们公布的一项研究报告宣称，牛胃液中所含的细菌群在分解植物纤维的过程中能够产生电力，电能约与一节5号电池相当。 一年前，本课题组采用焦性没食子酸厌氧培养法从牛瘤胃液中,分离纯化出纤维素分解菌和产甲烷菌。并初步探讨了这两种菌株的基本生长情况：如生长曲线，葡萄糖生成情况，电导率变化情况等。对于微生物燃料电池的研究则是，先以纤维素分解菌和不同导电溶液进行微生物燃料电池的产电研究。发现以铜－锌为阴阳电极（电极尺寸50mm*10mm），以0.5mol/L硫酸铜溶液作为阴极溶液，以分解纤维素菌株发酵液作为阳极溶液，以鱼鳔作为离子交换膜的电池，200mL纤维素分解菌株发酵液最多能产生1.03V的输出电压和1.2V的电池电位差。以纤维素分解菌和产甲烷菌进行微生物燃料电池的产电研究。在相同产电条件下， 200mL纤维素分解菌株发酵液最多能产生1.04V的输出电压和1.08V的电池电位差。两种菌发酵液的电池，产电效果良好且可持续产电180小时。 但是，初步成果的背后隐藏着诸多问题，如铜芯电极的腐蚀，生物膜不能长时间使用等，另外，电池的输出电压还有待提高，产电时间也需进一步延长，以达到实际应用水平。因此，本课题组又对微生物电池进行了进一步的探索，首先是对阴极电解液多样性的研究。 以铜－锌为阴阳电极（电极尺寸50mm*10mm），以0.5mol/L高锰酸钾溶液作为阴极溶液，以分解纤维素菌株发酵液作为阳极溶液，以鱼鳔作为离子交换膜的电池，200mL纤维素分解菌株发酵液最多能产生1.39V的输出电压和1.46V的电池电位差，产电时间维持在180小时左右。 以铜－锌为阴阳电极（电极尺寸50mm*10mm），以0.5mol/L铁氰化钾溶液作为阴极溶液，以分解纤维素菌株