希瓦氏菌、乙酰微小杆菌与海洋深层水原菌在双槽式微生物燃料电池中同时产电与脱色的研究

摘要

随着人类对可持续能源需求的不断扩大，微生物燃料电池以其环保的优点被认为是当前生物产电最具潜力的方法之一。本论文筛选了适于微生物燃料电池的希瓦氏菌种，继而采用基因手段进行菌种鉴定，使用多种电镜手段观察其形态结构及产电机制，并在真实双槽式微生物燃料电池(double-chamber microbial fuelcell,以下均简称DC-MFC)中进行希瓦氏菌（Shewanella xiamenensis BC01，以下均简称S.BC01）产电和脱色研究，并与乙酰微小杆菌（Exiguobacteriumacetylicum NIU-K2/NIU-K4，以下均简称E NIU-K2/NIU-K4）和海洋深层水原菌(Deep-Sea Water Culture，以下均简称DSW)的性能进行对比。
　　首先对从台湾海峡海域的水体中筛选的一株产电菌通过16S rRNA鉴定，确定该微生物为Shewanella xiamenensis BC01。
　　通过TEM观测到S.BC01单个菌长度范围为2-3.25μm，宽度范围为0.5-0.75μm，形态为棒状杆菌。使用SEM JSM6390观察希瓦氏菌，S.BC01单个菌的长度范围为1.1-2.1μm,宽度范围为0.5μm左右，形态为棒状杆菌。使用高倍SEMLEO1530观察，S.BC01单个菌的长度范围为0.9-1.3μm，宽度范围为0.5μm左右，形态为棒状杆菌。希瓦氏菌不仅具有纳米导线，还可以产生纳米颗粒，纳米颗粒的直径为0.15-0.20 nm。说明希瓦氏菌的产电机制极可能是由纳米导线进行电子传递，这为进一步阐明希瓦氏菌的导电机制奠定了基础。
　　最后，本研究尝试以海生菌肉汤(MB)作为外加营养源，利用其成分简单，价格低，符合海洋产电菌特性等特点应用于培养S.BC01，试图代替Luria-Bertani培养基(LB)。S.BC01在0.5×MB（稀释2倍的MB）中的生长效果最好。其生长的最适pH值范围在5.3～7.0，最大比生长速率(SGR)为0.78 h-1，最大比脱色速率(SDR)为82.63 mg·L-1·h-1，适合于同时产电和脱色的微生物燃料电池，菌体生长和脱色之间存在争夺电子的竞争关系。S.BC01的最佳间距为12.4 cm;其平均电压、溶液电阻和电荷转移电阻分别为278.9 mV，30.73Ω，176Ω·cm-2，稳定周期为54天，一级速率衰减常数(k1)和二级速率衰减常数(k2)分别为140 d-1和4.12 d-1，这些结果再与E.NIU-K2/NIU-K4、DSW进行性能对比，可为今后深入研究希瓦氏菌的产电性能提供一定的科学依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 微生物燃料电池

1．1．1 微生物燃料电池的背景

1．1．2 微生物燃料电池的反应机理

1．1．3 微生物产电检测机制

1．1．4 微生物燃料电池构型的对比

1．1．5 微生物燃料电池的材料应用

1．1．6 微生物燃料电池的相关参数

1．2 海洋产电微生物概论

1．2．1 铁还原红螺菌

1．2．2 沙雷菌和腐败希瓦氏菌

1．2．3 泥细菌

1．2．4 摩根菌

1．2．5 其它的产电微生物

1．3 希瓦氏菌

1．3．1 希瓦氏菌的研究背景

1．3．2 希瓦氏菌的特征和影响

1．4 希瓦氏菌微生物燃料电池概述

1．4．1 希瓦氏菌在微生物燃料电池中的前景

1．4．2 希瓦氏菌在微生物燃料电池中的应用和挑战

1．5 微生物燃料电池的研究方向

1．5．1 微生物燃料电池功能性菌种的筛选

1．5．2 微生物燃料电池产电机制建构之探讨

1．5．3 微生物燃料电池反应器的操作模式

1．5．4 微生物燃料电池介质化学结构探讨

1．5．5 微生物燃料电池之驯养条件或生物膜特性评估分析

1．5．6 MFC微生物分解代谢产物成份分析

1．6 本研究目的

第二章 希瓦氏菌的鉴定

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 16S rRNA和gyrB的鉴定方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 16S rRNA鉴定

2．3．2 gyrB DNA鉴定

2．4 小结

第三章 细菌形态学研究

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 SEM

3．2．2 TEM方法

3．2．3 SEM-EDX方法

3．2．4 光学显微镜方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 TEM实验结果

3．3．2 SEM实验结果

3．3．3 SEM-EDS／EDX

3．3．4 TEM观测希瓦氏菌分泌的纳米颗粒

3．3．5 用光学显微镜观察微生物燃料电池产PHA情况

3．4 小结

第四章 希瓦氏菌BC01的产电和脱色研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 生长曲线和脱色曲线的测定

4．2．2 微生物燃料电池(MFC)的运行

4．2．3 MFC性能参数的测量

4．2．4 剂量-响应曲线和MFC动力学分析

4．2．5 循环伏安法分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 S．BC01在不同培养基下生长对比

4．3．2 S．BC01在不同pH值下的剂量-响应曲线

4．3．3 S．BC01在静置条件下的生长与脱色曲线

4．3．4 S．BC01在不同电极间距下的产电

4．3．5 微生物燃料电池的盐度、溶液电阻及电导率对比

4．3．6 微生物燃料电池的交流阻抗图谱

4．3．7 循环伏安法实验结果

4．4 小结

第五章 乙酰微小杆菌和海洋深层水原菌的产电和脱色研究

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 新型培养基之确立

5．2．2 脱色

5．2．3 产电

5．2．4 盐度

5．3 结果与讨论

5．3．1 新型培养基之确立

5．3．2 脱色能力研究

5．3．3 产电能力研究

5．3．4 电池盐度、溶液电阻及电导率研究

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

6．2．1 循环伏安法实验探究

6．2．2 希瓦氏菌脱色酶活测定

6．2．3 盐对希瓦氏菌脱色能力的影响

6．2．4 中间调节物对希瓦氏菌的毒理影响(2AP、3AP、4AP)

6．2．5 希瓦氏菌产PHA的碳源优化

附录

参考文献

在读期间发表的论文

致谢