【摘要】：微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)是一種利用微生物作為催化劑將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它將污水處理與電力生產(chǎn)有效的結(jié)合在一起，為能源和環(huán)境問(wèn)題提供了新思路和新方法。MFC用可以自我復(fù)制再生的微生物替代了傳統(tǒng)化學(xué)燃料電池的貴金屬作為催化劑，同時(shí)微生物種類繁多、代謝途徑豐富且易調(diào)控，理論上能夠催化所有小分子有機(jī)物甚至部分無(wú)機(jī)物降解而產(chǎn)生能量，因而它是具有低成本、高效率、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理、生態(tài)修復(fù)和便攜式能源等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

現(xiàn)階段，MFC的功率密度相對(duì)較低，這主要是由于細(xì)菌代謝導(dǎo)致的活化損失，尤其是低效的電子轉(zhuǎn)移比例(庫(kù)倫效率)和電子轉(zhuǎn)移速率(電流產(chǎn)量)，因此而限制了其商業(yè)化應(yīng)用。就此而言，深入了解微生物胞外電子傳遞過(guò)程對(duì)微生物燃料電池的實(shí)施十分重要。在微生物燃料電池中，無(wú)論電子傳遞途徑如何，生物膜的形成對(duì)于電池產(chǎn)電效率具有至關(guān)重要的影響。目前，由于驗(yàn)證手段和方法的限制，微生物燃料電池陽(yáng)極界面電子傳遞過(guò)程研究仍然相對(duì)滯后。對(duì)于生物膜在依賴自分泌電子介體所介導(dǎo)胞外電子傳遞中的作用尚不清楚。為了明確陽(yáng)極界面電子傳遞機(jī)制，尤其是僅依賴自分泌介體進(jìn)行界面電子傳遞機(jī)制中陽(yáng)極生物膜的作用，需要發(fā)展一種簡(jiǎn)便易行的新方法對(duì)產(chǎn)電過(guò)程中陽(yáng)極室內(nèi)的電子介體進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，同時(shí)對(duì)生物膜形成與產(chǎn)電性能之間進(jìn)行系統(tǒng)研究和深入探討。

本研究以銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa ATCC 9027)為產(chǎn)電菌株，通過(guò)粉末微電極的應(yīng)用和合適的分析方法的選擇，實(shí)現(xiàn)不同位置的陽(yáng)極液中電子介體(吩嗪)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和利用生物膜抑制劑(魚腥草素鈉)抑制生物膜的形成，并通過(guò)電化學(xué)分析方法進(jìn)行研究，提出銅綠假單胞菌胞外電子傳遞機(jī)理。

主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:

1.吩嗪作為銅綠假單胞菌一種代謝產(chǎn)物，在MFC中，吩嗪是銅綠假單胞菌的電子介體可以將電子傳遞到陽(yáng)極，從而實(shí)現(xiàn)放電。但是目前研究仍然沒有確定吩嗪如何影響MFC的放電。本研究在MFC操作過(guò)程，利用粉末微電極高靈敏度對(duì)MFC陽(yáng)極液中P.aeruginosa分泌的吩嗪濃度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用粉末微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中可以看到吩嗪在電位-0.45 V處存在一對(duì)氧化還原峰，且峰電流的大小隨著時(shí)間不斷發(fā)生變化，這是由于P.aeruginosa生長(zhǎng)過(guò)程中吩嗪濃度先是逐漸增加至平臺(tái)期，120小時(shí)后開始下降。與此同時(shí)，在距離MFC陽(yáng)極不同位置處，吩嗪的呈現(xiàn)不同的濃度大小，在陽(yáng)極近端吩嗪的濃度小于遠(yuǎn)端。所以由此推斷吩嗪濃度的變化不僅決定于MFC放電過(guò)程中細(xì)菌的代謝，而且受陽(yáng)極表面生物膜的影響。因此，本研究提出一種關(guān)于MFC放電過(guò)程吩嗪的分泌情況以及吩嗪在胞外介導(dǎo)P.aeruginosa電子傳遞過(guò)程的機(jī)理，且提供一種簡(jiǎn)便高效準(zhǔn)確的研究手段用于MFC自介導(dǎo)胞外電子傳遞過(guò)程的研究。

2.細(xì)菌生物膜在MFC細(xì)菌放電過(guò)程中尤其是放電初期扮演著十分重要的角色。然而到目前為止生物膜提高M(jìn)FC產(chǎn)電電壓的詳細(xì)機(jī)理并不是特別清楚，尤其對(duì)于僅僅依靠自介導(dǎo)電子介體進(jìn)行胞外電子傳遞的細(xì)菌。本研究利用生物膜抑制劑(魚腥草素鈉)用于在MFC中構(gòu)建P.aeruginosa“無(wú)膜”陽(yáng)極，同時(shí)幾乎不影響細(xì)菌的生長(zhǎng)。然后通過(guò)比較MFC中“有膜”和“無(wú)膜”陽(yáng)極的放電電流密度、吩嗪濃度變化和陽(yáng)極的電化學(xué)分析，可以看到生物膜可以顯著提高電池的放電電流。這主要是由于生物膜的形成不僅可以使更多的微生物用于催化反應(yīng)而且通過(guò)在陽(yáng)極表面富集大量的電子介體實(shí)現(xiàn)快速界面電子傳遞。與此同時(shí)，陽(yáng)極液中吩嗪濃度變化可以在MFC放電過(guò)程初期作為判斷生物膜生長(zhǎng)情況的指標(biāo)。

本研究證明了生物膜在MFC放電過(guò)程中可以通過(guò)富集電子介體(吩嗪)提高電極界面介體濃度而實(shí)現(xiàn)胞外電子傳遞快速有效的進(jìn)行。