高效產(chǎn)電菌的篩選及其在微生物燃料電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、本研究使用自行制作的微生物燃料電池反應(yīng)器，對(duì)湖南省吉首市大田灣污水處理廠曝氣池中的污泥進(jìn)行富集培養(yǎng)，應(yīng)用純培養(yǎng)法將富集到的產(chǎn)電菌進(jìn)行分離純化，并運(yùn)用繪制循環(huán)伏安曲線的方法對(duì)分離菌株的電化學(xué)活性進(jìn)行測(cè)定，采用16S rRNA基因序列的分析方法研究產(chǎn)電活性菌株的系統(tǒng)發(fā)育多樣性，選取部分電化學(xué)活性強(qiáng)的菌株進(jìn)行微生物燃料電池的產(chǎn)電性能研究以及對(duì)生活污水進(jìn)行凈化處理運(yùn)行試驗(yàn)。以期篩選一批產(chǎn)電菌，了解產(chǎn)電菌的類(lèi)群多樣性，并初步探索該類(lèi)微生物在微生物

2、燃料電池產(chǎn)電和生活污水的處理方面的潛力，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用該類(lèi)微生物資源提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
　　對(duì)微生物燃料電池反應(yīng)器模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取適宜的陰陽(yáng)級(jí)和質(zhì)子交換膜，并配備好其他監(jiān)測(cè)設(shè)備，從污水處理廠采集污泥樣品，密封帶回實(shí)驗(yàn)室后對(duì)樣品進(jìn)行處理，配置成陽(yáng)極液加入到組裝好的MFC反應(yīng)器中對(duì)污泥中的產(chǎn)電菌進(jìn)行富集培養(yǎng)，采用純培養(yǎng)法將富集到的產(chǎn)電菌進(jìn)行分離純化，并運(yùn)用繪制循環(huán)伏安曲線的方法測(cè)定各菌株的電化學(xué)活性。結(jié)果顯示，共分離到52株

3、產(chǎn)電菌，其中37株具有電化學(xué)活性，且5株菌[F007(KJ846489)，F(xiàn)010(KJ846473)，F(xiàn)017(KJ846476)， F026(KJ846478)，F(xiàn)051(KJ846507)]的電化學(xué)活性較強(qiáng)。
　　基于16S rRNA基因序列的系統(tǒng)發(fā)育分析表明，分離純化出的37株具有電化學(xué)活性的菌株屬于細(xì)菌域的3個(gè)大的系統(tǒng)發(fā)育類(lèi)群(Proteobacteria，Bacteroidetes/Chlorobi group，Act

4、inobacteria)的11個(gè)科(Pseudomonadaceae，Burkholderiaceae，Xanthomonadaceae，Rhodobacteraceae，Enterobacteriaceae，Caulobacteraceae，Alcaligenaceae，Neisseriaceae，F(xiàn)lavobacteriaceae，Sphingobacteriaceae，Microbacteriaceae)、15個(gè)屬(Pseudom

5、onas， Burkholderia，Luteibacter，Dyella，Rhodobacter，Haematobacter，Klebsiella，Caulobacter，Brevundimonas，Achromobacter，Paludibacterium，Myroides，Chryseobacterium，Sphingobacterium，Microbacterium)。其中，Proteobacteria門(mén)菌株占據(jù)了明顯的優(yōu)勢(shì)(3

6、2株，86.5％)，其余依次是Bacteroidetes/Chlorobi group(3株，8.1%)和Actinobacteria(2株，5.4%)。將篩選出的產(chǎn)電菌與已知的高效產(chǎn)電菌相比較，發(fā)現(xiàn)本研究的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)(Proteobacteria)與文獻(xiàn)報(bào)道的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)電菌鐵還原紅育菌(Rhodofoferax ferrireducens)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、硫還原地桿菌(Geobacter su

7、lfurreducens)等屬于同一個(gè)大的系統(tǒng)發(fā)育類(lèi)群(Proteobacteria)，其中Proteobacteria門(mén)下 Pseudomonadaceae科下的優(yōu)勢(shì)菌屬（Pseudomonas屬）有14個(gè)菌株[F001(KJ846471)、F003(KJ846472)、F010(KJ846473)、F011(KJ846474)、F013(KJ846475)、F017(KJ846476)、F021(KJ846477)、F026(KJ8

8、46478)、F027(KJ846479)、 F029(KJ846480)、F032(KJ846481)、F034(KJ846482)、F037(KJ846483)、F046(KJ846484)]與高效產(chǎn)電菌—銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)屬于同一個(gè)屬。此外，優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的其他菌屬以及其他菌門(mén)（Bacteroidetes/Chlorobi group和Actinobacteria）的菌屬均少見(jiàn)報(bào)道。
　　

9、比較分析發(fā)現(xiàn)，菌株 F010(KJ846473)、F017(KJ846476)和F026(KJ846478)不僅具有較為顯著的電化學(xué)活性，而且屬于優(yōu)勢(shì)菌屬（Pseudomonas屬）。通過(guò)簡(jiǎn)單的電化學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，三株菌中F026(KJ846478)的產(chǎn)電性能最優(yōu)。因此，以F026(KJ846478)為陽(yáng)極產(chǎn)電菌制作了微生物燃料電池，并對(duì)其產(chǎn)電性能進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果顯示，菌株F026(KJ846478)在溫度處于35℃、pH在中性偏堿性，

10、以及可溶性淀粉作為底物的條件下，產(chǎn)電性能最佳，MFC的電壓可達(dá)到500mV，功率密度可達(dá)到2W/m3。
　　以生活污水中COD的去除率為指針，考察了以F026(KJ846478)為陽(yáng)極產(chǎn)電菌、以生活污水為底物、溫度為30℃左右、pH為7等條件下，底物濃度對(duì)MFC產(chǎn)電同時(shí)處理生活污水效果的影響。結(jié)果表明：底物濃度對(duì)MFC穩(wěn)定電壓達(dá)到時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間以及生活污水COD去除率等具有重要影響。采用COD初始濃度為200mg/L的生活污水為底