混合菌群与单菌株微生物燃料电池产电性能初步研究_赵磊

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1、６４２０１３，Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．１化学与生物工程Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－５４２５．２０１３．０１．１７混合菌群与单菌株微生物燃料电池产电性能初步研究赵磊１，宋加妹２，于俊伟１，孙东平１（１．南京理工大学化工学院，江苏南京２１００９４；２．南京理工大学连云港研究院，江苏连云港２２２００６）摘要：以厌氧污泥为原始菌群来源构建混菌微生物燃料电池，８４０ｈ后，最大功率密度达到１９００ｍＷ·ｍ－２。从该电池阳极分离纯化出一株产电菌，细胞形态为球形，生长特性为兼性厌氧，经鉴定属于葡萄球菌属（Ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏ

2、ｃｃｕｓ），命名为ＳｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓＮＪＵＳＴ－１。以ＳｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓＮＪＵＳＴ－１为微生物构建单菌微生物燃料电池，稳定后最大功率密度达到５２０ｍＷ·ｍ－２，比混菌电池要低许多，同时极化曲线显示，电流密度达到０．１８ｍＡ·ｃｍ－２后，电压开始快速下降，表明在较大电流下ＮＪＵＳＴ－１产电受到阻碍。ＮＪＵＳＴ－１代谢１．０ｇ·Ｌ－１葡萄糖５～１０ｈ内，外路电压维持在较高水平；葡萄糖浓度降低到０．１ｇ·Ｌ－１时，电压明显下降；葡萄糖浓度接近０后，仍能检测到电压。关键词：微生物燃料电池；产电菌；产电性能中图分类号：Ｘ３８２文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－

3、５４２５（２０１３）０１－００６４－０４微生物燃料电池（ＭＦＣ）是一种将生物能转化为究了其产电及代谢性能。［１］电能的新兴的产能方式，其燃料来源广泛、操作条件１实验温和，同时资源利用率高，二次污染小，是环境与能源［２］领域近年来持续的研究热点，相关研究主要集中在１．１微生物燃料电池反应器提高输出功率与降低生产成本两方面。按电池中微生本实验采用双室微生物燃料电池系统，如图１所物的种属是否单一，微生物燃料电池分为单菌电池与示。阴极室与阳极室结构相同，材质为有机玻璃。两混菌电池。相比于混菌系统复杂的竞争关系，单菌系室以质子交换膜（浙江千秋水处理公司）分隔。两室上统更有利于筛选

4、产电优势菌种，且更便于微生物产电部均开有３个直径１０ｍｍ的小孔，中孔用于固定电［３－６］代谢过程的研究。作者以厌氧污泥为原始菌群来极，两边孔用于取样、投料、曝氮（阳极），电池运行过程源构建混菌微生物燃料电池，从阳极分离获得一株产中，边孔用橡胶塞封住。阳极电极与阴极电极为碳纸，电优势菌，鉴定其种属并构建单菌微生物燃料电池，研连接导线。外电路负载定值电阻。图１双室微生物燃料电池反应器照片Ｆｉｇ．１Ｋｉｎｄｐｉｃｔｕｒｅｓｏｆｄｕａｌ－ｃｈａｍｂｅｒｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｅｌｃｅｌｌｒｅａｃｔｏｒ收稿日期：２０１２－０９－２８作者简介：赵磊（１９８７－），男，江苏南京人，硕士

5、研究生，研究方向：微生物燃料电池，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｊｉａｘｉｎｆｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍ；通讯作者：孙东平，教授。６５赵磊等：混合菌群与单菌株微生物燃料电池产电性能初步研究／２０１３年第１期１．２混菌微生物燃料电池的构建微生物燃料电池系统中的内阻分为欧姆内阻和非原始菌群来源于南京城东污水处理厂厌氧污泥，欧姆内阻，欧姆内阻的主要特征就是电压－电流曲线采用固定时间添加底物的方式，经过一段时间驯化，产呈线性。由图２可知，各电压－电流曲线均近似呈直电菌能够很好地富集在碳纸电极上。线，可以认为在驯化过程中，电池的内阻以欧姆内阻为每次添加底物后，阳极均需要充分曝氮。主。同时，电压－

6、电流曲线的斜率等于内阻，随着驯化运行过程中，微生物燃料电池置于隔水式恒温时间的延长，曲线斜率显著减小，即内阻减小，也就意（３０℃）培养箱。味着微生物富集良好。实验用阴、阳极溶液量均为２００ｍＬ。２．２混菌电池驯化过程中的功率密度－电流密度曲阳极溶液为自配培养基，成分（ｇ·Ｌ－１）为：线（简称功率密度曲线）ＮａＨＣＯ３３．１３，ＮＨ４Ｃｌ０．３１，ＮａＨ２ＰＯ４·２Ｈ２Ｏ６．４６，功率密度曲线通过电压－电流曲线计算获得，见Ｎａ２ＨＰＯ４·１２Ｈ２Ｏ６．９３，（ＮＨ４）２ＳＯ４０．５６，ＭｇＳＯ４图３。０．２９，ＫＣｌ０．１３，ＣａＣｌ２０．０１５，ＭｎＳＯ４０．０２０，葡

7、萄糖１。［７］－１阴极溶液为铁氰化钾缓冲溶液，成分（ｇ·Ｌ）为：Ｋ３［Ｆｅ（ＣＮ）６］１６．５，ＮａＨ２ＰＯ４·２Ｈ２Ｏ０．４，Ｎａ２ＨＰＯ４·１２Ｈ２Ｏ６．０。１．３产电菌的分离与鉴定将稳定运行的碳纸阳极取出，在无菌环境下用蒸馏水冲洗，收集冲洗后蒸馏水，稀释，涂平板，平板培养基成分为阳极培养基加琼脂，并额外用石蜡铺于培养基上方制造厌氧环境。最终分离纯化出一株产电菌，图３不同驯化时间的功率密度曲线用显微镜观察其形态，并进行生理生化实验鉴定该菌Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔ种属。ｄｏｍｅｓｔｉｃａ