植物微生物燃料电池工艺条件优化与电极微生物群落解析

摘要

植物微生物燃料电池(Plant Microbial fuel cell,PMFC)是将植物引入微生物燃料电池(MFC)系统,植物光合作用后其根际分泌物直接作为电极微生物的电子供体,从而可持续再生电能的技术。为了完善PMFC技术,进一步提高系统效能,本研究优化反应器的设计以及反应器接种物、植物,探究了影响PMFC产电性能的因素,并对电极表面功能微生物群落结构进行解析。
　　在微生物燃料电池基础上探讨了不同接种物对PMFC系统启动与产电的影响。反应器运行以1g/L乙酸钠作为底物,分别选取生活废水好氧处理池水样(AERO)、生活废水厌氧处理池水样(ANAE)、土壤(SOIL)、底泥作为接种物(SEDI)。反应器最大输出电压分别为AERO(0.493V)、SOIL(0.485V)、ANAE(0.508V)、SEDI(0.514V),以SEDI作为接种物在外负荷电阻为250W、电流密度为0.167mA/cm2时,获得最高功率密度为557.85mW/m2,其次分别为SOIL(490.65mW/m2)、好氧处理池样水(451.30mW/m2)、厌氧处理池水样为(444.19mW/m2)。循环伏安法考察反应器电化学活性显示在-0.8V～0.2V有较高的电化学活性,以松花江底泥作为接种物时得到最高库仑效率为29.2％。最终将反应器的阳极生物膜用于通过高通量测序,并做细菌群落分析。通过以上分析,最终确定松花江底泥作为植物微生物燃料电池接种物。
　　在0.5W/m2、3.2W/m2、6.1W/m2三个不同光照强度下,恒定温度25℃,磷酸缓冲液浓度为25mM,功率密度随着光照的增强而增加。0.5W/m2、3.2W/m2、6.1W/m2时测定的最高功率密度分别为64.74mW/m2、69.36mW/m2、97.21mW/m2。COD分别为152.8g/L、158.6g/L、276.8g/L,其变化趋势与功率密度一致。光照强度的增加影响了植物根际分泌物的量增加,使得COD升高,从而功率密度变大。
　　在固定光照强度为6.1W/m2,缓冲液浓度为25mM,25℃测定的最高功率密度为93.62mW/m2,20℃时测定的最高功率密度为89.28W/m2,30℃时最高功率密度为76.6640mW/m2。随着温度的升高其功率密度在升高,而温度升高到适当温度,其功率不再升高,随后会随着温度继续升高而下降。COD分别为240g/L、224g/L、336g/L,与功率密度变化趋势相同,说明COD变化是功率密度变化的直接原因。即是温度变化会影响植物的光合作用,根部分泌的有机物质浓度发生变化。
　　实验中设置反反应器1-植物+蛭石(PLANT)、反应器2-植物+底泥(P+S)、反应器3-底泥(SEDI)以及原始植物根部样品(ROOT),反应器运行稳定后提取其阳极微生物DNA,高通量测序以分析其功能菌群变化。阳极微生物群落结构结果表明植物微生物燃料电池反应器中微生物来源于接种物的富集以及植物根部微生物。群落结构解析发现主要优势微生物有Proteobacteria、Acidobacteria、Bacteroidetes、Chlorobi。

目录

植物微生物燃料电池工艺条件优化与电极微生物群落解析

REASEARCH ON OPTIMIZATION OF PLANTMICROBIAL FUEL CELL AND ITS MICROBIALCOMMUNITY STRUCTURE

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 微生物燃料电池

1.3 光电化学燃料电池

1.4 植物微生物燃料电池

1.5 论文主要研究内容

第2 章 实验装置、材料与方法

2.1 植物微生物燃料电池实验装置

2.2 植物微生物燃料电池运行方式

2.3 主要检测项目和方法

2.4 试验材料

第3 章 植物微生物燃料电池接种物的优化

3.1 电化学性能评价

3.2 不同接种物启动MFC 群落分析

3.3 本章小结

第4 章 植物微生物燃料电池的系统优化及群落分析

4.1 植物MFC 反应器优化设计及启动运行

4.2 环境条件对PMFC 产电性能的影响

4.3 不同植物对PMFC 产电性能的影响

4.4 群落分析

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致 谢