本文關(guān)鍵詞：微生物燃料電池的產(chǎn)電代謝及菌群解析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：微生物燃料電池(MFC)可通過微生物電子傳遞機制將有機物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,被認(rèn)為是集污水處理與能源再生于一體的生物電化學(xué)系統(tǒng)。然而目前MFC最大輸出電壓和電流都仍較低,難以滿足實際需要。要實現(xiàn)MFCs大規(guī)模實際應(yīng)用還有很多理論和技術(shù)難題需要研究解決。由于在MFC系統(tǒng)中產(chǎn)電微生物是最為核心的要素,在有機廢物的處理過程中,有機物作為底物被發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)電細(xì)菌利用,陽極生物膜上的群落結(jié)構(gòu)和種群類型對于有機物的降解和電能的產(chǎn)生有著極大的影響,因此開展產(chǎn)電微生物的代謝機制研究和陽極室的群落結(jié)構(gòu)解析顯得尤為重要。實驗采用兩瓶型微生物燃料電池(MFC),以葡萄糖為基質(zhì),對MFC內(nèi)的發(fā)酵產(chǎn)物和參與的細(xì)菌進(jìn)行了分析,探討了微生物發(fā)酵與產(chǎn)電之間的關(guān)系。與此同時解析了種泥、電極生物膜、陽極液微生物的群落結(jié)構(gòu),最后分析了MFC產(chǎn)電機制。論文獲得的主要研究結(jié)果如下:(1)為快速啟動反應(yīng)器,以馴化多年的高活性厭氧污泥為接種微生物,陰極以50m M的鐵氰化鉀為電極受體,經(jīng)過約20天的時間啟動成功,最高電壓約為570m V,并對培養(yǎng)條件進(jìn)行簡單優(yōu)化得,基質(zhì)COD濃度為1000 mg?L-1、溫度為35℃時是該反應(yīng)器的較優(yōu)條件。(2)以葡萄糖為基質(zhì)產(chǎn)電的過程中,葡萄糖被發(fā)酵成乙酸、丙酸、乳酸三種主要產(chǎn)物。乙酸和丙酸都可以直接被微生物利用產(chǎn)電,乙酸更易被產(chǎn)電微生物利用,且能產(chǎn)出較高電壓;乳酸需經(jīng)過進(jìn)一步發(fā)酵轉(zhuǎn)化為丁酸、丙酸和乙酸,丁酸經(jīng)進(jìn)一步代謝為乙酸和丙酸后才能被用于產(chǎn)電。(3)陽極液中的氧化還原電位(ORP)分為三個階段:第一,當(dāng)氧化還原電位開始下降時,微生物開始發(fā)酵有機物,但是代謝產(chǎn)物含量并不高,此時電壓處于起始階段;第二,氧化還原電位開始升高,電壓也開始升高,發(fā)酵代謝產(chǎn)物較多,產(chǎn)電微生物利用揮發(fā)性有機酸使電壓也開始升高;第三,氧化還原電位升高,電壓開始下降,此時COD下降,揮發(fā)性有機酸也相應(yīng)下降。(4)陽極表面生物膜里緊密聚集著大量桿菌,主要有Klebsiella sp.(克雷伯氏菌屬)、Citrobacter sp.(檸檬酸桿菌屬)、Lactococcus sp.(乳球菌屬)、Enterobacter sp.(腸桿菌屬)及Proteobacterium近緣菌,而培養(yǎng)液底泥中的優(yōu)勢菌為Yokenella sp.(預(yù)研菌屬)、Eubacterium limosum(粘液真桿菌)、Firmicutes bacterium(厚壁菌門)近緣菌。這些與接種污泥中的優(yōu)勢菌Lactococcus sp.(乳球菌屬)、Peptostreptococcaceae(消化鏈球菌)、Clostridiales(梭菌目)、Salmonella sp.(沙門氏菌屬)近緣菌有所不同。(5)MFC產(chǎn)電是由發(fā)酵菌聯(lián)合產(chǎn)電菌通過梯次降解基質(zhì)、分步利用、協(xié)同代謝的結(jié)果。產(chǎn)電菌的復(fù)配及產(chǎn)電菌與非產(chǎn)電菌之間的優(yōu)化組合可為提高M(jìn)FC產(chǎn)電提供方向。在種泥和陽極生物膜的優(yōu)勢菌中均包括乳球菌(Lactococcus sp.)。該菌在非MFC系統(tǒng)中和MFC系統(tǒng)后的呼吸方式是否存在差異,對該問題的揭示將有助于今后人們對產(chǎn)電呼吸的認(rèn)識。(6)陽極液中的微生物參與電子介體的分泌可以提高生物膜與電極之間的電子傳遞效率。運用三維熒光(3DEEM)對陽極液進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn),主要存在的是溶解性微生物代謝產(chǎn)物、腐殖酸類物質(zhì),且大致趨勢都是先降低再升高再降低的,與電壓先升高,保持一段時間的高電壓平臺再降低的的總趨勢具有一定的相關(guān)性。其中腐植酸可以促進(jìn)底物釋放出的電子向陽極電極轉(zhuǎn)移。
【關(guān)鍵詞】：微生物燃料電池 氧化還原電位 代謝產(chǎn)物 種群分析 產(chǎn)電機制
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X703;TM911.45
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1. 緒論10-18
• 1.1 研究背景10
• 1.2 微生物燃料電池的基本原理概述10-11
• 1.3 關(guān)于產(chǎn)電菌呼吸作用的簡述11-12
• 1.4 陽極室產(chǎn)電菌的電子傳遞機制12-15
• 1.4.1 細(xì)胞色素傳遞機制12-13
• 1.4.2 納米導(dǎo)線傳遞機制13-14
• 1.4.3 電子介體穿梭機制14-15
• 1.5 陽極微生物的代謝過程及群落15-17
• 1.5.1 陽極微生物的代謝過程15-16
• 1.5.2 陽極微生物群落的研究進(jìn)展16-17
• 1.6 課題研究意義與內(nèi)容17-18
• 1.6.1 課題的研究目的及意義17
• 1.6.2 本課題研究內(nèi)容17-18
• 2. 實驗材料與方法18-30
• 2.1 試驗裝置18-19
• 2.2 實驗廢水與接種污泥19-20
• 2.3 實驗藥品及儀器20-21
• 2.4 實驗指標(biāo)測定方法21-30
• 2.4.1 電學(xué)相關(guān)物理量的測定和計算21-23
• 2.4.2 其他指標(biāo)的測定23-24
• 2.4.3 微生物的測定方法24-30
• 3. MFC的啟動、優(yōu)化及產(chǎn)電與微生物代謝的耦合關(guān)系解析30-43
• 3.1 反應(yīng)器的啟動及基本的條件的優(yōu)化30-35
• 3.1.1 反應(yīng)器的啟動30-32
• 3.1.2 濃度、溫度對MFC的產(chǎn)電性能的影響32-35
• 3.2 微生物代謝與產(chǎn)電之間的耦合關(guān)系35-39
• 3.3 產(chǎn)電與氧化還原電位（ORP）之間的關(guān)系39-42
• 3.4 小結(jié)42-43
• 4. MFC中陽極室中的微生物分析43-49
• 4.1 電極表面生物膜的形態(tài)分析43-44
• 4.2 MFC陽極室及種泥的微生物群落特征分析44-48
• 4.2.1 PCR-DGGE44-46
• 4.2.2 測序結(jié)果分析46-48
• 4.3 小結(jié)48-49
• 5. 混合菌MFC產(chǎn)電機制的探討49-58
• 5.1 陽極室底泥及與生物膜對產(chǎn)電貢獻(xiàn)的比較分析49-51
• 5.2 三維熒光對陽極溶液中的物質(zhì)進(jìn)行分析51-55
• 5.3 微生物在MFC中進(jìn)行胞外電子傳遞的作用研究55-57
• 5.4 小結(jié)57-58
• 6. 結(jié)論58-60
• 致謝60-61
• 參考文獻(xiàn)61-70
• 附錄 攻讀碩士期間發(fā)表論文70

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本文編號：274701