微生物燃料电池中微生物与电极作用机制及产电性能强化研究

Microbial fuel cell is a new technology to combine both organic wastewater or waste treatment and energy recovery, however, how to increase the MFC power output becomes a bottleneck for its further development and application. With the anode microbial group in MFC as object, this study will perform an in-depth analysis of the metagenomics 16S rRNA using Genome Sequencer FLX sequencing technology to obtain the detailed microbial community structure and biodiversity information, to reveal the correlation between microbial population structure and electricity generation, and to put forward an effective electrogenesis microbe population structure mode and culture method. Besides, the MFC anode macro genome analysis will be conducted using Illumina Hiseq 2500 platform to find out the related gene undertaking extracellular electron transfer, thus to reveal the interactional mechanism of anode microbe and electrode from functional gene level. Based on the knoledge of the new interactional mechanism between microbe and electrode, electricity generation from MFC will be enhanced by optimizing material, reactor configuration, and operational conditions. The results obtained from this study will provide the new coordinates for the directional selection of efficient electrogenesis bacteria and construction of the high power-output MFC, and simultaneously to lay a solid theoretical foundation for promoting the amplifying application of MFC.

微生物燃料电池（MFC）是一项兼有机废水或废弃物处理和能源回收的新技术，如何提高其功率输出是制约MFC进一步发展和放大应用的技术瓶颈。本课题以MFC中阳极微生物群体为对象，拟采用Genome Sequencer FLX测序技术深入分析宏基因组16S rRNA，获得详尽的微生物多样性和群落结构组成信息，阐明微生物种群结构与产电效能的相关性，提出高效产电微生物种群的结构模式和培养方法；利用Illumina Hiseq 2500平台对MFC阳极宏基因组进行解析，找出与电子胞外传递及产生的相关基因，从功能基因水平揭示微生物与电极作用机制；基于对微生物与电极作用新机制的新认识，从材料、反应器构型、运行条件优化等方面对MFC的产电性能进行强化。研究成果可为高效产电菌的定向筛选和高功率密度输出MFC的构建提供新坐标，同时也为MFC的放大应用奠定坚实的理论基础。

提高微生物燃料电池（MFC）的功率输出是进一步发展和放大MFC应用的技术瓶颈，阳极胞外电子传递（EET）是MFC产电过程的限速步骤。本课题以不同底物MFC的阳极生物膜为研究对象，通过高通量测序技术，在微生物群落和基因水平深入分析阳极微生物的群落结构组成、EET相关基因以及产电代谢，揭示微生物与电极的作用机制。基于微生物与电极的作用机制，从电极界面改性、投加电子中介体、表面活性剂和营养盐等方面对MFC的产电性能进行了强化。. 不同阳极底物的MFC中，以葡萄糖为底物MFC的阳极生物膜微生物群落丰度最高的微生物是产电菌Geobacter sulfurreducens（23%），而发酵微生物在以复杂大分子有机底物（河床底泥、含油污泥）为底物的MFC阳极生物膜微生物群落中具有绝对的优势。. 通过对以葡萄糖为底物的MFC阳极生物膜进行全基因测序并进行基因预测、注释和聚类分析，Geobacter和Desulfovibrio的基因组中存在大量的EET相关基因，它们是阳极生物膜中最重要的产电菌；信号转导相关基因在阳极生物膜中的丰度较高（4.57%）并在EET过程起到重要的作用；阳极产电过程的电子流径图揭示了阳极微生物与电极间的作用机制。. 鼠李糖脂的投加将MFC的最大功率密度提高33%，库伦效率提高43%，促进生物膜中产电菌的富集并显著增强信号转导过程；以脱水含油污泥为底物的MFC，投加鼠李糖脂使MFC的最大功率密度增加125%，TCOD降解率提高25%，同时促进底物的硫循环；吐温-80和Fe(Ⅲ)的投加可以加速阳极河床底泥中TOC和PCBs的生物降解和转化。Mg2+的投加可以使以葡萄糖为底物的MFC的最大功率密度增加24%，促进生物膜的形成。. 本课题的研究成果对揭示EET的机理研究有重要的意义，为高效产电菌的定向筛选和高功率密度输出MFC的构建提供了新的方向。