基于纤维素水解液的微生物燃料电池构建及其性能研究

摘要

能源危机和环境问题是制约各国经济发展的主要挑战，使用环境友好型能源是实现经济与环境可持续发展的重要途径。纤维素是世界上储量最丰富的生物质资源，具有巨大的能源利用潜能。目前，利用纤维素发酵产氢及产乙醇技术已实现较大的技术进步，为产业化发展奠定了重要的技术基础。但是，纤维素发酵过程中产生许多中间代谢产物和大量纤维素类有机废水。这类有机废水不仅存在于工业废水中，还常常存在于各类生活废水当中，成为重要的环境有机污染源。因此，这些有机废水的可再生利用成为环境治理的一个重要挑战。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是通过微生物催化作用，降解有机物并将其中的化学能转化为电能的装置，可同时实现废物再利用和能源转化，是全新的生物质能技术。目前，微生物燃料电池利用纤维素产电的技术仍处于起步阶段，主要集中在菌株筛选及MFCs性能描述阶段，且产电量相对较低。通过外加纤维素酶提高MFCs的电能输出的策略难以实现技术突破，这些问题是纤维素微生物燃料电池实际应用的主要技术瓶颈。
　　针对纤维素类MFCs目前存在的主要问题，本文采用典型的双室MFCs，通过接种白蚁肠道微生物菌群及希瓦氏奥奈达金属还原菌(Shewanella oneidensisMR-1)，研究并优化其利用纤维素类有机物的产电性能;通过输入氧气、外加电子中介体及修饰阳极，考察氧气、核黄素、不同材料阳极对纤维素水解液MFCs产电性能的影响。在电子转移机制研究方面，采用电化学技术和基因工程手段，进一步解析了S.oneidensis MR-1在纤维素水解液中的电子传递途径，为优化纤维素水解液MFCs性能的策略提供了理论依据。本论文的主要研究成果归纳如下:
　　1)研究发现S.oneidensis MR-1可以利用纤维素水解液产电，并获得了17.2±0.5 mW/m2的功率输出;同时，经过驯化后的白蚁肠道微生物菌群能够利用羧甲基纤维素，木糖及葡萄糖产电，但是，目前产电效率还比较低。
　　2)氧气对纤维素水解液MFCs产电的影响是负面的，阳极室中的氧气会显著抑制纤维素水解液MFCs产电效率。
　　3)研究发现，通过外加电子中介体和采用修饰电极方法，都可以大幅度提高纤维素水解液MFCs的产电性能，通过优化获得～660 mW/m2功率输出的纤维素水解液电池。
　　4) S.oneidensis MR-1虽然不能利用葡萄糖和木糖代谢生长，但可利用以木糖或葡萄糖为单一碳源的MFCs产电，证明在纤维素水解液MFCs中，S.oneidensisMR-1是以木糖和葡萄糖为主要电子供体产电。同时，通过外加核黄素及采用PANI电极修饰的方法，显著提高了MFCs的产电能力。
　　5)纤维素水解液MFCs的电子传递机制(EET)的研究表明，在纤维素水解液MFCs中，核黄素和细胞色素蛋白（OmcA及MtrC）没有参与S.oneidensis MR-1的电子转移过程。但是，通过高浓度核黄素的添加和聚苯胺修饰电极方式可以激活以核黄素为介体的间接电子传递和细胞色素蛋白的直接电子传递过程。
　　6)以纯菌为阳极菌的纤维素水解液MFCs突破了传统采用混合菌降解纤维素水解液产电的技术途径，并获得了新型高效利用纤维素水解液直接产电的MFCs，为纤维素水解液MFCs机制及调控的深入研究奠定了基础。

目录

声明

摘要

缩略词

第一章 绪论

1．1研究背景

1．2 微生物燃料电池技术简介

1．2．1 微生物燃料电池的发展

1．2．2 微生物燃料电池的基本结构与分类

1．2．3 产电微生物

1．2．4 电子传递机制

1．2．5 影响微生物燃料电池电压的主要因素

1．3 纤维素类微生物燃料电池研究现状

1．3．1 以衍生纤维素为底物的MFCs的研究现状

1．3．2 以植物纤维素为底物的MFCs研究现状

1．4 电极材料

1．4．1 石墨烯修饰的阳极

1．4．2 聚苯胺修饰的阳极

1．5 微生物燃科电池的应用领域

1．5．1 产生电能

1．5．2 污水处理

1．5．3 生物传感器

1．5．4 生物修复

1．6 本课题研究的主要内容和意义

1．7 研究路线

第二章 材料和方法

2．1 电池构造

2．2 碳布的预处理

2．3 主要实验试剂

2．4 电池性能检测和分析

2．4．1 输出电压和电流

2．4．2 功率曲线和极化曲线

2．4．3 内阻的测量

2．4．4 循环伏安法

2．4．5 生物监测方法

第三章 纤维素水解液MFCs的构建

3．1 实验材料

3．1．1 白蚁来源

3．1．2 主要试剂

3．1．3 主要仪器

3．2 实验方法

3．2．1 纤维素水解液的制备

3．2．2 白蚁MFCs阳极液配置

3．2．3 白蚁肠道微生物的获取

3．2．4 S．oneidensis MR-1的培养

3．2．5 MFCs的设计和运行

3．2．6 纤维素水解液组分分析

3．2．7 MFCs性能的研究

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 白蚁肠道微生物MFCs产电性能分析

3．3．2 纤维素水解液MFCs产电性能分析

3．4 本章小结

第四章 纤维素水解液MFCs产电性能的优化

4．1 实验材料

4．1．1 主要试剂

4．1．2 主要仪器

4．2 实验方法

4．2．1 高氯酸-聚苯胺电极的制备

4．2．2 石墨烯电极的制备

4．2．3 电极结构的观察与表征

4．2．4 电极电化学性能的检测

4．2．5 S．oneidensis MR-1的培养

4．2．6 MFCs的安装与运行

4．3 实验结果与分析

4．3．1 氧气对纤维素水解液MFCs产电的影响

4．3．2 核黄素可促进纤维素水解液MFCs产电

4．3．3 不同阳极材料性能比较

4．3．4 PANI修饰阳极可提高纤维素水解液MFCs产电

4．4 本章小结

第五章 以木糖或葡萄糖为底物的MFCs的研究

5．1 实验材料

5．1．1 主要试剂

5．1．2 主要仪器

5．2 实验方法

5．2．1 S．oneidensin MR-1培养

5．2．2 MFC设计与运行

5．2．3 阳极表面的生物监测

5．2．4 S．oneidensis MR-1生长曲线测定

5．2．5 S．oneidensis MR-1厌氧培养

5．3 实验结果与分析

5．3．1 S．oneidensis MR-1可利用木糖、葡萄糖产电

5．3．2 聚苯胺修饰阳极可提高MFCs产电

5．3．3 不同条件下S．oneidensis MR-1利用葡萄糖、木糖代谢研究

5．3．4 S．oneidensis MR-1在MFCs中的木糖、葡萄糖代谢研究

5．3．5 S．oneidensis MR．1在MFCs中的生长情况

5．4 本章小结

第六章 纤维素水解液MFCs产电机制的研究

6．1 实验材料

6．1．1 主要试剂

6．1．2 主要仪器

6．2 实验方法

6．2．1 聚苯胺电极的制备

6．2．2 菌种的培养

6．2．3 MFCs的安装与运行

6．2．4 电化学性能检测

6．3 实验结果与分析

6．3．1 核黄素对S．oneidensis MR-1产电机制的影响

6．3．2 接种突变菌株的纤维素水解液MFCs

6．3．3 聚苯胺修饰阳极促进电子传递机制

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

发表论文

致谢

附件