混合菌群与单菌株微生物燃料电池产电性能初步研究

赵 磊，宋加妹，于俊伟，孙东平

（1.南京理工大学化工学院，江苏 南京210094；2.南京理工大学 连云港研究院，江苏 连云港222006）

微生物燃料电池（MFC）是一种将生物能转化为电能的新兴的产能方式[1］，其燃料来源广泛、操作条件温和，同时资源利用率高，二次污染小，是环境与能源领域近年来持续的研究热点[2］，相关研究主要集中在提高输出功率与降低生产成本两方面。按电池中微生物的种属是否单一，微生物燃料电池分为单菌电池与混菌电池。相比于混菌系统复杂的竞争关系，单菌系统更有利于筛选产电优势菌种，且更便于微生物产电代谢过程的研究[3－6］。作者以厌氧污泥为原始菌群来源构建混菌微生物燃料电池，从阳极分离获得一株产电优势菌，鉴定其种属并构建单菌微生物燃料电池，研究了其产电及代谢性能。

1 实验

1.1 微生物燃料电池反应器

本实验采用双室微生物燃料电池系统，如图1所示。阴极室与阳极室结构相同，材质为有机玻璃。两室以质子交换膜（浙江千秋水处理公司）分隔。两室上部均开有3个直径10mm的小孔，中孔用于固定电极，两边孔用于取样、投料、曝氮（阳极），电池运行过程中，边孔用橡胶塞封住。阳极电极与阴极电极为碳纸，连接导线。外电路负载定值电阻。

图1 双室微生物燃料电池反应器照片Fig.1 Kind pictures of dual－chamber microbial fuel cell reactor

1.2 混菌微生物燃料电池的构建

原始菌群来源于南京城东污水处理厂厌氧污泥，采用固定时间添加底物的方式，经过一段时间驯化，产电菌能够很好地富集在碳纸电极上。

每次添加底物后，阳极均需要充分曝氮。

运行过程中，微生物燃料电池置于隔水式恒温（30℃）培养箱。

实验用阴、阳极溶液量均为200mL。

阳极溶液为自配培养基，成分（g·L－1）为：

阴极溶液为铁氰化钾缓冲溶液[7］，成分（g·L－1）为：K3[Fe（CN）6］16.5，NaH2PO4·2H2O 0.4，Na2HPO4·12H2O 6.0。

1.3 产电菌的分离与鉴定

将稳定运行的碳纸阳极取出，在无菌环境下用蒸馏水冲洗，收集冲洗后蒸馏水，稀释，涂平板，平板培养基成分为阳极培养基加琼脂，并额外用石蜡铺于培养基上方制造厌氧环境。最终分离纯化出一株产电菌，用显微镜观察其形态，并进行生理生化实验鉴定该菌种属。

1.4 单菌微生物燃料电池的构建及性能研究

除使用的微生物为分离获得的优势菌外，其余条件均与1.2相同。

测定稳定运行后的单菌微生物燃料电池的电压－电流曲线。

2 结果与讨论

2.1 混菌电池驯化过程中的电压－电流曲线

不同驯化时间下的电压－电流曲线见图2。

图2 不同驯化时间下的电压－电流曲线Fig.2 The voltage－current curves at different domestication times

微生物燃料电池系统中的内阻分为欧姆内阻和非欧姆内阻，欧姆内阻的主要特征就是电压－电流曲线呈线性。由图2可知，各电压－电流曲线均近似呈直线，可以认为在驯化过程中，电池的内阻以欧姆内阻为主。同时，电压－电流曲线的斜率等于内阻，随着驯化时间的延长，曲线斜率显著减小，即内阻减小，也就意味着微生物富集良好。

2.2 混菌电池驯化过程中的功率密度－电流密度曲线（简称功率密度曲线）

功率密度曲线通过电压－电流曲线计算获得，见图3。

图3 不同驯化时间的功率密度曲线Fig.3 The power density curves at different domestication times

功率密度最大值点对应的外电阻值即为电池内阻。由图3可知，随着驯化时间的延长，系统的功率密度显著增大，也是微生物富集良好的证明。20h时最大功率密度只有50mW·m－2，拟合计算的欧姆内阻有480Ω；840h后，最大功率密度达到了1900mW·m－2，内阻降至53Ω。

2.3 产电菌的形态及鉴定

用显微镜观察产电菌的形态，见图4。进一步进行生理生化实验，结果见表1 。

图4 产电菌的显微照片Fig.4 Microscope image of the electricity generation bacterium

表1 产电菌的生理生化鉴定结果Tab.1 Physiological and biochemical identification results of the electricity generation bacterium

结合图1和表1 结果，细胞形态为球形，生长特性为兼性厌氧，对比伯杰细菌鉴定手册[8］，鉴定该菌属于葡萄球菌属（Staphylococcus），将其命名为Staphylococcus NJUST－1。

2.4 NJUST－1微生物燃料电池的产电性能（图5）

图5 NJUST－1微生物燃料电池的功率密度曲线及极化曲线Fig.5 The power density curve and polarization curve of NJUST－1MFC

由图5可知，运行稳定后NJUST－1微生物燃料电池的最大功率密度为520mW·m－2，明显低于混菌电池，说明混菌的协同作用提高了NJUST－1的产电水平[9］。极化曲线上，电流密度达到0.18mA·cm－2后，电压快速下降，出现这一现象的主要原因是在较大电流通过时，对NJUST－1的代谢产生了阻碍作用，从而导致电压下降。而混菌系统对环境的适应性普遍好于单菌系统，因此其极化曲线上没有反映得如此明显，而是始终保持良好的线性（略）。

2.5 NJUST－1微生物燃料电池产电过程中对底物的消耗

NJUST－1微生物燃料电池一个放电周期内电压的变化以及溶液中葡萄糖含量的变化情况见图6。葡萄糖的初始浓度为1.0g·L－1，外路负载为510Ω。

图6 NJUST－1微生物燃料电池单周期产电及底物消耗曲线Fig.6 The electricity generation performance and substrate consumption curve of NJUST－1MFC in one cycle

由图6可知，在加入葡萄糖后5～10h内，外路电压维持在较高水平，最高为500mV，此阶段为NJUST－1代谢葡萄糖的旺盛时期，葡萄糖被大量利用，所以浓度也下降最快；当葡萄糖浓度降到0.1g·L－1时，NJUST－1进入代谢停滞期，外路电压也快速降到了300mV左右，随后电压继续下降；当葡萄糖浓度下降到接近0时，外路还能检测到电压。研究表明[10］，NJUST－1厌氧代谢葡萄糖是个不完全代谢的过程，可以进一步利用代谢的中间产物继续进行二次代谢。

3 结论

（1）以厌氧污泥为原始菌群来源构建的混菌微生物燃料电池经过一段时间的驯化后，功率密度逐渐增大，内阻逐渐减小，840h时最大功率密度达到1900 mW·m－2、内阻降至53Ω。电压－电流曲线呈良好线性，证明电池内阻以欧姆内阻为主。

（2）从碳纸阳极分离出一株产电优势菌株，经鉴定该菌属葡萄球菌属（Staphylococcus），命名为Staphylococcus NJUST－1。

（3）利用NJUST－1构建单菌微生物燃料电池。最大功率密度为520mW·m－2，明显低于混菌电池，证明混菌的协同作用明显提高了产电水平。

（4）电流密度达到0.18mA·cm－2后，电压快速下降，表明在较大电流下NJUST－1微生物燃料电池产电受到阻碍。

（5）NJUST－1代谢1.0g·L－1葡萄糖5～10h内，外路电压维持在较高水平；当葡萄糖浓度消耗至0.1g·L－1后，电压明显下降；当葡萄糖浓度下降到接近0时，仍能检测到电压。

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