基于CBS-ZT菌的双室微生物燃料电池研究

王琨琦，刘小梅，王 敏，张培森

(长春工程学院，长春 130012)

0 引言

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种新技术，是唯一一种可以在不输入外部/附加能量的情况下产生废物能量的技术，将在解决全球环境问题中扮演重要角色[1]。它通过微生物的氧化还原作用产生的电子向阴极传递来产生电能，其工作过程是电池中充当催化剂功能的产电菌在阳极室内将有机物分解产生电子，然后由细胞膜连组分传递至阳极，并经外电路传递到阴极，被阴极表面的电子受体还原[2]。在MFC中，产电微生物的选择及其最适生长环境的优化在整个MFC系统中起着重要的作用[3]，直接影响MFC的产电性能。目前MFC中使用的产电菌有变形菌、希瓦氏菌MR-1、芽孢杆菌、大肠杆菌野生株K-12等等[4]，使用嗜热厌氧菌株的几乎未见报道。

本论文使用的CBS-ZT菌是从中国长白山的地面温泉分离出来的，其细胞为短直杆，无鞭毛，细胞壁为革兰氏阳性新型的嗜热厌氧菌，属于热解纤维素果汁杆菌属。其适宜生长条件为：40～90 ℃，pH5.6～8.6和NaCl质量分数为0.0～1.0%(w/v)，其发酵的主要产物是乙酸盐、乳酸盐、H2和CO2[5]。

本论文首先研究了CBS-ZT菌在玻碳电极上的直接电化学反应，明确指出其可以作为微生物燃料电池阳极产电菌，并且电子转移机制属于直接电子传输。以CBS-ZT菌为阳极，匹配铁氰化钾阴极构建双室微生物燃料电池，并成功启动。基于嗜热厌氧CBS-ZT菌作为阳极产电菌成功启动微生物燃料电池的工作目前鲜有报道，本研究丰富了微生物燃料电池的阳极产电菌的研究内容，为微生物燃料电池较高温度启动提供了产电菌参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

CBS-ZT菌株来自于吉林大学生命科学学院酶工程实验室。碳毡、碳杆购自阿拉丁试剂。10%的PTFE(聚四氟乙烯)、质子交换膜、5%的Nafion溶液(5wt.%)购自美国Dupont公司。浓硫酸、氢氧化钠、氯化铵、硫酸钠、氯化钙、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、硫酸镁、铁氰化钾、硫酸亚铁铵、抗坏血酸、酵母膏、乳酸钠、磷酸氢二钠、氯化钠均为分析纯，购自北京化学试剂厂。去离子水(自制)。长风水浴恒温水箱(量程：0～100 ℃、精度：1 ℃)、雷磁pHS-25型数显pH计、FA1004电子天平(上海天平仪器厂)、KQ5200E型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)、79-2型磁力加热搅拌器。CHI602A电化学工作站(上海辰华仪器厂)、对电极为铂丝电极，饱和甘汞为参比电极，玻碳(GC)电极为工作电极。

1.2 CBS-ZT菌的培养

CBS-ZT菌培养基的主要成分为：0.10 g/L CaCl2·2H2O、酵母膏、0.50 g/L K2HPO4、1.0 g/L NH4Cl、2.0 g/L MgSO4·7H2O、3.5 g/L乳酸钠、0.10 g/L 抗坏血酸、0.50 g/L(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O、0.50 g/L Na2SO4。在35 ℃厌氧条件下，MFC阳极室内于前述培养基上避光培养CBS-ZT菌。

1.3 CBS-ZT菌的双室微生物燃料电池阴阳极的制备及组装

在打磨过的长度8.0 cm，直径0.80 mm的石墨杆上穿入处理好的2.0 cm×2.0 cm、厚度1 cm的碳毡作为阴阳两电极。将电极分别插入外径6.0 cm，瓶体高12 cm，容积为300 mL侧壁开孔的玻璃双室中，开孔处用橡胶塞密封，将处理好的质子交换膜固定在开孔处的两块法兰中间，法兰与玻璃瓶侧管的连接处用PTFE密封，以分隔成阳极室和阴极室。将10 mL CBS-ZT菌液和含有100 mL培基液注入阳极室内，并通氮气30 min除氧。将50 mmol/L铁氰化钾和100 mmol/L磷酸盐缓冲溶液110 mL注入阴极室内，用铝箔包裹阴极室避光，构成了一个双室微生物燃料电池，如图1所示，将该双室电池放入除氧气的密封罐子中，持续于磁力搅拌器上搅拌。该电池的工作原理：

图1 双室MFC组装示意图

2 结果与讨论

2.1 CBS-ZT菌株的直接电化学

在200.00 μL(pH 7.12)PBS缓冲溶液中加入2.00 mLCBS-ZT菌株液，使用玻碳(GC)电极作为工作电极，在电位窗-0.60～+0.60范围内，在100 mV/s的扫速下做循环伏安测试。由循环伏安图2所示：一对完整的氧化还原峰展现出来，阳极峰电位和阴极峰电位，分别位于-0.09 V和-0.34 V，分离峰电位(ΔEp)是0.25 V，计算出阳极峰电流与阴极峰电流之比的绝对值是0.49，标准电位(E°′)由阳极峰电位与阳极峰电位的算数平均值得出为-0.21 V，与文献报道亚铁血红素的电位非常接近[6]，这表明：CBS-ZT菌的活性中心为亚铁血红素，CBS-ZT菌在GC电极上发生了直接准可逆电化学反应。在电位窗-0.60～+0.60范围内，分别改变扫速为10、20、40、60、80和100 mV/s，再做循环伏安测试(如图3)，ΔEp分别为244、246、249、255、261和264 mV，表明ΔEp随着扫速的增大而增大，同时氧化还原峰电流也明显增加，氧化还原峰电流与扫呈线性关系，如图4(拟合结果：Pa：Y=0.034x+0.32，R=0.99；Pc：Y=-0.043x-0.82，R=-0.97)所示，所以CBS-ZT菌在玻碳(GC)电极上发生的直接电化学反应是个表面控制的过程。

图2 -0.6～+0.6电位窗内，CBS-ZT菌在100 mV·s-1扫速下的循环伏安曲线

图3 不同扫速下(扫描速度分别为10、20、40、60、80和100 mV·s-1从内到外)，CBS-ZT菌在200 μL PBS中的循环伏安曲线

图4 CBS-ZT菌峰值电流与扫描速度的关系

2.2 基于CBS-ZT菌为阳极的双室微生物燃料电池的启动及性能

2.2.1 CBS-ZT菌为阳极的双室电池的启动

经过培养的CBS-ZT菌液接种于双室MFC的阳极室中。电池的启动过程如图5所示：刚刚接种1 d，电池的输出电压较高；1～2 d，输出电压降低明显；3～5 d时电池电压降幅明显减小；第5 d开始，输出电压迅速提高，然后每天成线性增长，继续运行至第10 d，输出电压基本达到稳定，说明CBS-ZT菌为阳极的双室MFC启动成功。

图5 双室电池电压变化曲线

2.2.2 CBS-ZT菌为阳极的双室电池的性能

CBS-ZT菌为阳极的双室MFC启动成功后，将外电阻从500 Ω调节到11 000 Ω进行电池性能测定，如图6所示：随着外电阻的增大，电池的输出电压不断提升，在外电阻达到11 000 Ω时双室MFC的最大开路电压为0.54 V。由双室电池的极化曲线，如图7所示，曲线a1可知：当电流密度为(37 μA/cm2)时，电池的最大输出功率密度为11 μW/cm2；曲线b1表明：电池的最大电流密度为(62 μA/cm2)。

3 结语

本文基于厌氧嗜热CBS-ZT菌直接电化学研究，成功构建了CBS-ZT菌阳极直接电子传递过程的双室MFC，该电池启动成功后获得11 μW/cm2的最大输出功率密度，为高温运行的MFC筛选了新阳极产电菌。

图6 双室电池的开路电压

电池输出功率密度与电流密度的关系(a1，红色曲线)；电池电压与电流密度的关系(b1，蓝色曲线)图7 双室电池性能的极化曲线