微生物燃料电池产电特性及其在传感中的应用研究

摘要

微生物燃料电池(MFC)作为一种新型生物传感器，在环境、食品和医药等领域有着十分广泛的应用。由于MFC生物传感器的传感特性与电池的产电性能密切相关，因此，MFC产电特性的研究是MFC生物传感器的一个研究重点。在本文中，我们主要研究了对MFC产电效率有重要影响的阳极材料及其对MFC传感特性的影响。制备了具有不同纳米表面结构的硼掺杂金刚石电极，研究了电极的纳米结构对MFC生物传感器的影响。在此研究基础上，还开发了价格低廉、便于实际应用的基于碳布电极的MFC，用于抗生素的检测。论文主要内容如下：
　　 (1)研究了产电微生物Shewanella loihica PV－4的生物学特性以及不同底物对S。loihica PV－4产电性能的影响。研究结果表明乳酸、甲酸和环糊精有利于产电过程中S。loihica PV-4的生长，葡萄糖、半乳糖、L－阿拉伯糖则有利于S.loihica PV-4的产电。
　　 (2)利用层层自组装方法制备了纳米金修饰硼掺杂金刚石薄膜电极，用于MFC阳极，研究其对MFC产电性能的影响。研究结果表明随着Au/PAH层数的增加，电极上产生的峰电流密度逐渐从1.25μA cm-2增加至2.93μA cm-2，电极表面粘附的细菌密度增加，S.loihica PV-4在(Au/PAH)4/BDD电极上的直接电化学行为得到明显增强。
　　 (3)利用自模板法，通过等离子刻蚀制备了BDD纳米草结构电极，用于MFC阳极。由于BDD表面的纳米草结构增加了S.loihica PV-4细胞膜表面细胞色素C活性中心的反应位点，缩短了电子传递至电极的距离，促进了电子传递，因此MFC的产电性能得到了提高。研究结果表明BDD纳米草结构电极产生的最大电流密度和稳定电流密度分别为3.8μA cm-2和1.2μA cm-2，分别是BDD薄膜电极产生的电流密度的3倍。
　　 (4)构建了基于BDD纳米草结构电极的MFC生物传感器用于妥布霉素的检测。研究结果表明随着妥布霉素浓度的增大，该传感器的抑制率呈指数关系增加，并且BDD电极的纳米草结构可以提高传感器的检测灵敏度。
　　 (5)利用从废水中分离出的混合菌，构建了价格低廉且便于实际应用的基于碳布电极的混合菌生物膜的MFC生物传感器，研究了其在环境监测抗生素中的应用。研究结果表明随着妥布霉素浓度的增大，MFC的抑制率增大，阳极生物膜的菌群也随之改变，菌群平衡对传感器的稳定性有着重要的作用。该传感器可用于在线监测模拟废水中的抗生素的含量，操作简单，稳定性好，有望用于水环境抗生素监测预警。
　　 (6)利用医学上常用的试验菌株Escherichia coli K12，构建基于碳布电极的E.coliK12的MFC生物传感器，研究其在医学上抗生素药效的生物检定中的应用。该传感器的抑制率随着妥布霉素浓度的增加而呈指数关系增加，将其用于抗生素浓度的检测，操作简单，方法可行，有望为医学上抗生素药效的生物检定提供一种新方法。