發(fā)布時間：2020-07-10 21:14

【摘要】：本文針對微生物-電化學研究領域內微生物燃料電池產電效率的限制因素以及微生物與電極間相互作用的問題,開展了懸浮型微生物-電化學系統(tǒng)的電化學特性及微生物活性的研究。構建了微型MFC、H型MFC以及懸浮型(流動電極)MFC三種微生物燃料電池反應器,分別測定穩(wěn)定條件下的最大電能輸出,進而分析了 MFC產電能力的內在影響因素。除此之外,還研究了直流電場對懸浮態(tài)希瓦氏菌(產電菌)及大腸桿菌(非產電菌)細胞活性與理化性質的影響,并通過電化學分析方法探究了希瓦氏菌(產電菌)及大腸桿菌(非產電菌)細胞在直流電場下的電阻及電容特性。微型MFC、H型MFC以及懸浮型(流動電極)MFC最大功率密度分別為1420mW/m2、370mW/m2、3050mW/m2,內阻分別為640Ω、1120Ω、46Ω。本實驗條件下,流動電極型MFC在投加質量分數(shù)15%的活性炭、質量分數(shù)1%的炭黑時產電性能最優(yōu)。在本試驗中未發(fā)現(xiàn)流速(2mL/min～6mL/min)大小對系統(tǒng)內阻及產電能力產生顯著影響。通過對希瓦氏菌(產電菌)和大腸桿菌(非產電菌)在不同強度電場下生長速率差異的比較分析,發(fā)現(xiàn)直流電場能提高微生物的生長速率,且細菌在陰陽兩極的生長速率出現(xiàn)明顯差異。大腸桿菌在陰極生長更多,而希瓦氏菌在陽極生長更多。其次在通路與斷路狀態(tài)下培養(yǎng)基pH值的變化情況存在明顯差異。無論是以希瓦氏菌(產電菌)還是大腸桿菌(非產電菌)作為菌種,活化內阻都占據(jù)了總內阻的很大比重,且阻值均隨時間下降,陽極電容均隨時間增加,陽極電容與電阻呈負相關關系。希瓦氏菌BES的活化內阻、歐姆內阻和總內阻均明顯低于大腸桿菌BES的對應阻值。
【學位授予單位】：華東理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.4
【圖文】：

得到很高的重視。在厭氧條件下可以通過外加介體產生電流，能利用自身分泌的三種電逡逑活性代謝物質穿過不同孔徑的濾膜實現(xiàn)和生物電化學系統(tǒng)陽極間電子傳遞。逡逑圖１．３大腸桿菌逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ邋ｃｏｌｉ逡逑希瓦氏菌廣泛地存在于各種水體和沉積物環(huán)境當中，是一種兼性厭逡逑氧的革蘭氏陰性菌。由于希瓦氏菌多樣化的呼吸作用，所以其可以利用多種物質作為電逡逑子受體，通過多種方式進行胞外電子傳遞。在有氧條件下，乳酸和丙酮酸＠－６４］可以被希逡逑瓦氏菌徹底氧化為Ｃ０２；在厭氧條件下［６５］希瓦氏菌以甲酸、乳酸、丙酮酸、氫氣和氨基逡逑酸作為電子供體。希瓦氏菌還能夠在無需氧化還原介質的條件下氧化乳酸產電，從而可逡逑以設計出無介體的高性能生物電化學系統(tǒng)。希瓦氏菌細胞外膜［６６］上的細胞色素ｃ能夠直逡逑接將電子傳遞給胞外的Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｍｎ（ＩＶ）、Ｕ（ＶＩ）等電子受體。逡逑ｍ逡逑圖１．４希瓦氏菌逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ逡逑

以設計出無介體的高性能生物電化學系統(tǒng)。希瓦氏菌細胞外膜［６６］上的細胞色素ｃ能夠直逡逑接將電子傳遞給胞外的Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｍｎ（ＩＶ）、Ｕ（ＶＩ）等電子受體。逡逑ｍ逡逑圖１．４希瓦氏菌逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ逡逑

原介體轉移給陽極，再從外電路轉移到陰極；在陰極區(qū)電子將電子受體（如氧）還原，逡逑然后和透過質子互換膜（ＰＥＭ）轉移過來的質子轉化為水［１Ｑ３＿１Ｑ５］。微生物燃料電池的工逡逑作原理如圖１．５所示。逡逑邐—逡逑，邐１邐Ｉ逡逑ｏｕｔｌｅｔ邋ｏｘｉｔｔｏｌｗｉｓ邐ｏｕｔｌｅｔ逡逑邐邐邋．＿＿邋ｐｒｏｄｕｃｔｓ邋ｒ＋ｉ邐＾逡逑ｉｆｆ邐ｒｅｄａｃｔ邋Ｓｏｔ邋ｊ邐：逡逑：＾邋—Ｉｆ逡逑＿邋＼�。冲义希蹋裕赍澹妫戾义希簦铮欤澹翦澹具姡停耍矗㈠澹眨姡娨诲澹椋睿欤澹翦义希龋保澹姡龋驽澹铮椋洌幔睿翦义蠄D１．５微生物燃料電池工作原理逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．５邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｂｉａｌ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌ逡逑ＭＦＣ最基本的形式是利用微生物通過有機物質氧化產生電流。在ＭＦＣ中微生物氧逡逑化有機物，細胞外的電子經由細胞膜轉移到電極表面［１°６，１（）７］。有機物被微生物氧化釋放逡逑出電子，生成陽離子。電子經由外電路轉移到陽極，然后到陰極。質子徖移到陰極并聯(lián)逡逑合電子和氧氣產生水。因此，電流以類似于化學燃料電池的方式產生，但微生物在陽極逡逑表面起催化劑作用。催化劑在反應中起到催化作用，加速反映進行，而其自身不受化學逡逑反應影響。ＭＦＣ中的微生物不是真正的催化劑，因為它們從基質的氧化中獲得能量，逡逑以支持自身生長并產生能量損失。ＭＦＣ中的微生物可以從復雜的有機物質的氧化中獲逡逑得細胞生長所需的全部能量和碳，因此ＭＦＣ技術被認為是可自我維持能量的技術。只逡逑要條件有利于陽極相關微生物的產生

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