基于阳极化学修饰的沉积型MFC电子传递特征及应用研究

微生物燃料电池(MFC)是具有很大潜在应用价值的生物质能转化技术。本课题针对目前沉积型MFC的低电流密度问题展开如下研究：从太湖底泥中分离纯化高活性产电菌，通过表征其表面物理化学性质有针对性地修饰阳极，提高阳极生物膜的成膜能力及电子的产生和传递；通过确认将电子从胞内中心代谢传递到外膜的主要细胞膜蛋白和活/死细胞荧光染色-CLSM观察，阐释电子由胞内到电极的传递特征；通过优化系统结构和工艺参数，获得适于太湖底泥原位修复的沉积型MFC反应器。.该研究不但可以充实MFC中电子传递的有关理论，促进电化学、分子生物学、微生物学及生物化学与环境工程多学科的交叉融合与发展，而且通过阳极材料的化学修饰强化电子的产生与传递研究将使该项目的理论成果具有重要的现实意义。

鉴于目前开发的微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）存在低电流密度和高成本问题，MFC技术的最可能应用是在天然水体中为水下装置供电。因此，由埋在厌氧底泥中的阳极和悬于好氧水体中的阴极组成的沉积型MFC最具开发价值。随太湖富营养化加剧，底泥是有机物和营养盐等污染物的蓄积库，控制底泥中污染物的赋存量及其向上覆水释放是改善太湖水体水质的重要手段。以接种太湖底泥的沉积型MFC为研究体系，本项目研究内容包括通过表征表面物理化学性质对阳极材料进行化学修饰，强化阳极生物膜的成膜能力，通过解析电子传递特征强化电子的产生和传递，通过反应器结构和工艺参数优化，进一步提高反应器的整体电流密度输出，最终获得适于太湖底泥原位修复的沉积型MFC系统。.项目执行期间，针对河湖底泥不同于污水处理厂剩余污泥的微生物组成及特点，以提高电极表面产电微生物的附着量和降低电极内阻为依据，开展了以A-H等为修饰物的电极修饰及其电化学性质表征的研究工作，例如，A－B修饰电极的欧姆内阻从未修饰电极的75.1 Ω降低到6.2 Ω，电荷转移内阻则由140 Ω降低到35 Ω。揭示了沉积型MFC系统的电子传递特征，所研究沉积型MFC体系的电子传递以生物膜机制为主，沉积型MFC体系所表现出的电化学活性源于细胞表面结合态的电活性物质，如细胞色素c类物质，其氧化还原电位为－0.250 V vs. SCE。在沉积型MFC电子传递强化方法研究的基础上，构建了适用于太湖底泥原位修复的沉积型MFC装置，在自然水体运行了一年，最高输出电压为548 mV（外阻1000 Ω），底泥烧失量（Loss of ignition, LOI）的去除率达42.0%，沉积型MFC系统结构性能优化表明，电极间距为20 cm、C修饰电极的SMFC表观内阻最小，输出电压和功率密度也最大。发表SCI收录期刊论文2篇，接受1篇；发表CSCD核心库期刊论文7篇，接受1篇；授权中国发明专利1项，申请中国发明专利1项；参加国内和国外学术会议各1次；培养博士研究生2名，硕士研究生6名。.本项目研究成果对丰富和充实MFC中电子传递及强化的内涵，推动MFC技术理论与实践的深层发展，具有一定的学术意义