接种混合细菌微生物燃料电池的电子传递机理研究

Microbial fuel cell (MFC) is a new technology combining wastewater treatment and bio-electricity production. But the mechanism of electron transfer in the MFC inoculated mixed bacteria is still unclear at present, which severely restricts further improvement in electricity-generating performance of the MFC. This project adopts the “resolution - contrast” method, i.e., a mixed community MFC is resolved into five kinds of MFCs, whose electricity-generating characteristics and biological characteristics are obtained by monitoring the electrochemistry characteristics, characterizing the microbial morphology and analyzing the microbial community diversity. Thus electron transfer mechanism in the MFC employing mixed bacteria as inoculum can be finally confirmed after studying every kind of possible electron transfer mechanism in the MFC and analyzing the interaction mechanism between electrigens and metabolites in anolyte, which provides an important theoretical basis for the enhancement of electron transfer efficiency in the MFC. This research fulfils a universally applicable method for studying electron transfer mechanism in the MFC inoculated mixed bacteria and forms a theoretical foundation for improving power generation of the MFC.

微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）技术是一项融合了废水处理和生物产电的新技术，但是接种混合细菌MFC产电机制的不明确严重制约了微生物燃料电池产电性能的提高。本项目采用“拆分-对比”的方法，从一个接种了混合细菌的微生物燃料电池中拆分出5种微生物燃料电池，通过电化学性能监测、微生物形态表征、微生物群落多样性分析等方面的研究，获取各组MFC的产电特性和生物学特性，从而对每一种可能的阳极电子传递机理进行研究，解析重要产电微生物的生物化学代谢途径，确定接种混合细菌MFC的电子传递机理，为提高MFC中电子传递效率提供重要的理论基础。通过本项目的研究，可以得到一种普遍适用于研究混合菌种MFC阳极电子传递机理的方法，为提高MFC产电性能提供理论依据。

微生物燃料电池(MFC)是利用微生物的催化作用，将有机物质的化学能直接转化为电能的一种装置。相对于纯菌，混合菌生物群落复杂多样，不能简单的用纯菌MFC阳极电子传递机制来解释混合菌MFC电子传递机制。因此，为进一步提高混合菌MFC的产电性能和有机物转化效率，必须明确混合菌MFC的电子传递机制。. 本研究利用双室MFC，采用“拆分-对比”的方法研究了接种混合细菌的双室微生物燃料电池阳极电子传递机制。将 MFC 阳极拆分为生物膜与阳极液两个部分分别进行研究，通过构建一种利用纤维素滤膜包裹阳极的MFC，单独研究了内源电子中介体在MFC产电过程中的作用。通过电化学性能监测、微生物形态表征、微生物群落多样性分析等方面的研究，获取各组MFC的产电特性和生物学特性，从而对每一种可能的阳极电子传递机制进行研究，利用系统生物学方法阐明不同菌群间的协同作用，解析其中重要产电微生物的生物化学代谢途径，最终确定混合细菌在MFC中的电子传递机制。. 电化学分析发现微生物燃料电池的阳极液和阳极生物膜具有很好的氧化还原活性，且可能存在多种氧化还原活性物质。通过气质联用仪（GC-MS）测试发现该混合细菌培养的微生物燃料电池阳极液中的氧化还原电子中介体的物质有1-羟基葸醌-9,10-酮，吩嗪-1-羧酸和氯巴占。其中氯巴占作为新的氧化还原电子中介体被首次发现。本研究发现在这个体系内同时存在直接接触传递和内源电子中介体传递机制，两种机制协同作用。. 本研究提供的方法具有普适性，可以普遍适用于其它混合菌MFC阳极电子 传递机理的研究，为提高MFC产电性能提供理论依据。.