直接微生物燃料电池的构建及初步研究

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1、第6卷第3期过程工程学报Vol.6No.32006年6月TheChineseJournalofProcessEngineeringJune2006直接微生物燃料电池的构建及初步研究11222连静，冯雅丽，李浩然，刘志丹，周良(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083；2.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100080)摘要：利用Geobactermetallireducens能够以Fe(OH)3固体作电子受体进行呼吸的特性，用其构建直接微生物燃料电池，初步考察了产电情况和产电原理.实验证明，Geobacter

2、metallireducens直接微生物燃料电池的电能产出主要依赖于吸附在电极上的细菌.燃料醋酸钠可以完全氧化至CO2，反应结束后其浓度低于检测下限(<10µmol/L).电子回收2率达80%，电流密度达704.4mA/m.关键词：微生物燃料电池；Geobactermetallireducens；生物膜；电子回收率中图分类号：TM911.45文献标识码：A文章编号：1009−606X(2006)03−0408−051前言接微生物燃料电池的研究尚未见报道.Geobactermetallireducens是一种异化还原菌，能够微生物燃料电池是

3、指在微生物的催化作用下将化在无电子传递中间体的情况下以Fe(OH)3等固态物质作学能转化为电能的装置，它包含阴阳两个极室，中间由[8]电子受体进行无氧呼吸.利用电极与Fe(OH)3均为固质子交换膜分隔开.燃料于阳极室中在微生物作用下被态的相似性，本实验以电极作为G.metallireducens呼吸氧化，电子通过外电路到达阴极，质子透过质子交换膜作用的最终电子受体，构建直接微生物燃料电池，对其到达阴极，氧化物(一般为氧气)在阴极得到电子被还原.产电情况和产电原理进行了初步研究.根据电子传递方式的不同，可将微生物燃料电池分为直接和间接微生物

4、燃料电池.直接微生物燃料电池是指燃2实验材料和方法料直接在电极上氧化，电子直接从燃料分子转移到电2.1菌种及其培养条件极；间接微生物燃料电池的燃料不在电极上氧化，在别G.metallireducens购自德国菌种保藏中心(DSMZ处氧化后电子通过某种途径转移到电极上来.7210,ATCC53774).培养基成分为(g/L)：KCl0.1,由于大部分微生物不具有电化学活性，电子无法直接从微生物到达电极，所以很多微生物燃料电池都需要NH4Cl0.2,NaH2PO40.6,NaHCO32.5,Wolfe微量维生素混合液10mL/L,Wolfe微

5、量矿物元素混合液10mL/L，电子传递中间体的参与，即构成间接微生物燃料电池.常用的电子传递中间体有硫堇[1]、AQDS[2]和中性红[3,4]电子供体NaAc10mmol/L，调节pH值6.8~7.0.利用等.微生物燃料电池中引入电子传递中间体在一定程度N2−CO2混合气(80:20,ϕ,下同)除去灭菌前培养基中的上可提供有效的电子传递通道，但却增大了电子传递的氧气后，分装入厌氧培养管中，121℃灭菌15min，在距离，其总体效果仍然不佳，并且很多电子传递中间体厌氧培养箱中进行必要的转接等操作，整个过程严格厌[9,10]有毒且易分解.所

6、以间接微生物燃料电池一直未被广泛氧培养.电子受体Fe(OH)3100mmol/L灭菌后加入.2+使用.培养温度30℃.细菌接入电池之前，为了除去Fe或3+近年来，国外陆续发现几种特殊的细菌，可在无电Fe离子对电极反应可能的干扰，将细菌从以Fe(OH)3子传递中间体存在的条件下，将电子直接传递给电极产作电子受体的培养基中转入以富马酸钠作电子受体的生电，构成直接微生物燃料电池.这类细菌有Shewanella培养基中，培养4代后，取对数生长期后期菌液，按10%[5][6]接入阳极室.阴阳两极室的溶液成分与培养基稍有不putrefaciens,G

7、eobacteraceaesulferreducens,Rhodoferax[7]同，两极室各加入电解质NaCl2.9g/L，阴极需要用pHferrireducens等.虽然这种类型的微生物燃料电池得以成功构建，但微生物与电极间的胞外电子传递机制，7.0的Tric−HCl作缓冲溶液，阳极继续用NaHCO3的缓以及吸附在电极上的细菌和悬浮在溶液中的细菌分别冲体系，阴极不加电子供体，阳极需加入电子供体(燃对电能输出所起的作用尚未解释清楚.目前国内关于直料)NaAc.收稿日期：2005−07−01，修回日期：2005−07−29基金项目：国家自

8、然科学基金资助项目(编号：20476009)作者简介：连静(1981−)，女，山西省忻州市人，硕士研究生，生物化工专业；李浩然，通讯联系人，E-mail:hrli@home.ipe.ac.cn