稳定高效产电细菌生物膜构建研究

微生物燃料电池可发展成直接从生活污水、环境沉积物等复杂介质中回收电能的能量转化装置，而在电极表面构建出稳定高效的产电细菌生物膜是发展具实用价值的微生物燃料电池技术的关键环节。本项目利用电化学方法从不同环境沉积物和生活污水中富集产电菌群，并通过电化学方法筛选出具较高产电能力的产电菌群，丰富构建高性能产电细菌生物膜的基础材料。另一方面，对适用于微生物燃料电池的碳电极材料进行改性、掺杂和功能化，使之更有利于产电菌群的附着和成膜。在上述基础上，系统研究不同产电菌群在不同电极材料表面形成产电生物膜的过程。项目重点研究产电细菌生物膜在电极表面的成膜过程和成膜条件，考查不同成膜条件下形成的产电生物膜的产电效率和产电稳定性，弄清楚产电细菌生物膜中细菌的种群结构和生物膜微米尺度上的空间结构，探索稳定高效产电细菌生物膜的成膜条件和成膜方法，为构建稳定高效的产电细菌生物膜奠定基础。

微生物电化学反应器能直接利用生活污水和环境沉积物中成分复杂的有机质为燃料产生电能或高附加值化学产品,系统能量转化效率和运行稳定性直接与阳极表面产电细菌生物膜的电催化性能有关。项目研究了不同环境接种物、有机底物类型、电极材料、pH条件及生物膜成膜方式等对产电细菌生物膜的电催化活性及运行稳定性的影响。在项目考查的不同类型接种物(包括淡水沉积物、啤酒厂活性污泥、城市生活污水处理厂活性污泥等)中，啤酒厂活性污泥具有启动快和启动性能高等优势。在项目考查的有机质类型中，非发酵性底物(醋酸盐)比发酵性底物(葡萄糖)更易于富集出高催化活性的微生物菌群。项目研究表明，电极材料表面粗糙化处理有利用生物膜的形成和电催化性能的提高。项目研究揭示出，中性和弱碱性(pH=6~8.5)是阳极细菌生物膜发挥催化功能的适宜pH范围，当介质为酸性/强碱性 (pH<5.5或pH>9)时，阳极细菌生物膜的电催化活性会显著地受到抑制。但项目研究也发现，在强碱条件下(pH=10)利用发酵性底物葡萄糖对啤酒厂活性污泥的驯化培养，可驯化培养出耐强碱性(pH=11)的电催化细菌生物膜，生物膜中优势菌为Eremococcus属，在生物膜菌种中占70%以上。通常情况下，催化活性不高的阳极生物膜会成为电池系统做功的限制环节，项目研究表明，阳极细菌生物膜的电催化活性低是在串联微生物燃料电池组中某些电池出现极性反转的重要原因之一。阳极生物膜的电催化活性除了与系统中化学/微生物学条件有关外，成膜过程的电化学操作方式对细菌生物膜的电催化活性影响显著。项目研究揭示出适宜于电催化细菌生长的电势范围约为-0.4 V~+0.4 V(vs. SHE)。电池系统中微生物阳极启动阶段，以电势适应(恒外阻方式启动或恒电势方式启动)生长方式形成的细菌生物膜普遍缺乏对高工作电流的适应性，高工作电流(极限电流)使得电势适应方式启动的生物膜阳极容易被过度极化而损坏。项目研究发现，以电流适应生长方式(极限脉冲电流刺激方式)可以构建出高催化活性和高运行稳定性的阳极细菌生物膜，项目以电流适应生长方式构建的阳极细菌生物膜可以在近10 A m-2的工作电流下稳定运行。目前发现的电催化细菌多为格兰氏阴性菌，本项目研究发现了格兰氏阳极菌Enterococcus faecalis能够利用核黄素为电子介体完成胞外电子传递，这丰富了对格兰氏阳极细菌电催化机制的认识。