【摘要】：微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)是一種利用微生物作為催化劑將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它將污水處理與電力生產(chǎn)有效的結(jié)合在一起，為能源和環(huán)境問題提供了新思路和新方法。MFC用可以自我復(fù)制再生的微生物替代了傳統(tǒng)化學(xué)燃料電池的貴金屬作為催化劑，同時微生物種類繁多、代謝途徑豐富且易調(diào)控，理論上能夠催化所有小分子有機(jī)物甚至部分無機(jī)物降解而產(chǎn)生能量，因而它是具有低成本、高效率、無污染等優(yōu)點，在污水處理、生態(tài)修復(fù)和便攜式能源等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

現(xiàn)階段，MFC的功率密度相對較低，這主要是由于細(xì)菌代謝導(dǎo)致的活化損失，尤其是低效的電子轉(zhuǎn)移比例(庫倫效率)和電子轉(zhuǎn)移速率(電流產(chǎn)量)，因此而限制了其商業(yè)化應(yīng)用。就此而言，深入了解微生物胞外電子傳遞過程對微生物燃料電池的實施十分重要。在微生物燃料電池中，無論電子傳遞途徑如何，生物膜的形成對于電池產(chǎn)電效率具有至關(guān)重要的影響。目前，由于驗證手段和方法的限制，微生物燃料電池陽極界面電子傳遞過程研究仍然相對滯后。對于生物膜在依賴自分泌電子介體所介導(dǎo)胞外電子傳遞中的作用尚不清楚。為了明確陽極界面電子傳遞機(jī)制，尤其是僅依賴自分泌介體進(jìn)行界面電子傳遞機(jī)制中陽極生物膜的作用，需要發(fā)展一種簡便易行的新方法對產(chǎn)電過程中陽極室內(nèi)的電子介體進(jìn)行實時分析，同時對生物膜形成與產(chǎn)電性能之間進(jìn)行系統(tǒng)研究和深入探討。

本研究以銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa ATCC 9027)為產(chǎn)電菌株，通過粉末微電極的應(yīng)用和合適的分析方法的選擇，實現(xiàn)不同位置的陽極液中電子介體(吩嗪)的實時監(jiān)測和利用生物膜抑制劑(魚腥草素鈉)抑制生物膜的形成，并通過電化學(xué)分析方法進(jìn)行研究，提出銅綠假單胞菌胞外電子傳遞機(jī)理。

主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:

1.吩嗪作為銅綠假單胞菌一種代謝產(chǎn)物，在MFC中，吩嗪是銅綠假單胞菌的電子介體可以將電子傳遞到陽極，從而實現(xiàn)放電。但是目前研究仍然沒有確定吩嗪如何影響MFC的放電。本研究在MFC操作過程，利用粉末微電極高靈敏度對MFC陽極液中P.aeruginosa分泌的吩嗪濃度變化進(jìn)行實時監(jiān)測。采用粉末微電極實時監(jiān)測過程中可以看到吩嗪在電位-0.45 V處存在一對氧化還原峰，且峰電流的大小隨著時間不斷發(fā)生變化，這是由于P.aeruginosa生長過程中吩嗪濃度先是逐漸增加至平臺期，120小時后開始下降。與此同時，在距離MFC陽極不同位置處，吩嗪的呈現(xiàn)不同的濃度大小，在陽極近端吩嗪的濃度小于遠(yuǎn)端。所以由此推斷吩嗪濃度的變化不僅決定于MFC放電過程中細(xì)菌的代謝，而且受陽極表面生物膜的影響。因此，本研究提出一種關(guān)于MFC放電過程吩嗪的分泌情況以及吩嗪在胞外介導(dǎo)P.aeruginosa電子傳遞過程的機(jī)理，且提供一種簡便高效準(zhǔn)確的研究手段用于MFC自介導(dǎo)胞外電子傳遞過程的研究。

2.細(xì)菌生物膜在MFC細(xì)菌放電過程中尤其是放電初期扮演著十分重要的角色。然而到目前為止生物膜提高M(jìn)FC產(chǎn)電電壓的詳細(xì)機(jī)理并不是特別清楚，尤其對于僅僅依靠自介導(dǎo)電子介體進(jìn)行胞外電子傳遞的細(xì)菌。本研究利用生物膜抑制劑(魚腥草素鈉)用于在MFC中構(gòu)建P.aeruginosa“無膜”陽極，同時幾乎不影響細(xì)菌的生長。然后通過比較MFC中“有膜”和“無膜”陽極的放電電流密度、吩嗪濃度變化和陽極的電化學(xué)分析，可以看到生物膜可以顯著提高電池的放電電流。這主要是由于生物膜的形成不僅可以使更多的微生物用于催化反應(yīng)而且通過在陽極表面富集大量的電子介體實現(xiàn)快速界面電子傳遞。與此同時，陽極液中吩嗪濃度變化可以在MFC放電過程初期作為判斷生物膜生長情況的指標(biāo)。

本研究證明了生物膜在MFC放電過程中可以通過富集電子介體(吩嗪)提高電極界面介體濃度而實現(xiàn)胞外電子傳遞快速有效的進(jìn)行。