（物理化学专业论文）绿脓菌素对若干细菌产电性的影响.pdf

袁杰：绿脓菌素对若干细菌产电性的影响 摘要 由于能源的日益匮乏，开发新型清洁能源、调整能源结构己引起全世界的关 注。微生物燃料电池是一种利用微生物产生电能的新型装置。 1 、绿脓杆菌是一种自然界广泛存在的细菌，可以通过分离、鉴别的方法得 到。绿脓菌素可以通过绿脓杆菌生物合成和吩嗪硫酸甲酯光化学合成两种方法制 备，再通过硅胶柱层析的方法提纯绿脓菌素；并可以通过紫外、红外、差示扫描 量热仪( d s c ) 对其进行结构表征。 2 、在双池式微生物燃料电池中，以醋酸钠为底物，通过电池装置对淡水沉积 物中的产电细菌进行富集，取得了较理想的结果。结果表明：在更换培养基的模 式下，电流的产生与在电极表面的产电细菌构成的致密生物膜有关；利用循环伏 安的方法考察其阳极区内电化学活性物质的产生，发现在电位为2 0 0m v ( 相对于 饱和甘汞电极) 附近时，出现代表电化学活性物质的氧化还原峰；溶液中具有电 化学活性的代谢产物也有利于溶液中悬浮细菌产生电流。 同时将富集的产电细菌在富马酸培养基中进行扩大培养，为微生物燃料电池 的相关研究提供实验用菌。 3 、在共阴极微生物燃料电池的模型的建立中，以醋酸钠为底物，使用在天然 沉积物中富集的细菌作为阳极区微生物源，取得了较理想的结果。在此基础上， 以绿脓菌素为电子传递介体，初步探讨了绿脓菌素对产电细菌产电性的影响。结 果表明：在厌氧条件下，绿脓菌素对产电细菌的电流输出有一定影响，且加入绿 脓菌素后，短期内电流上升的峰值随着绿脓菌素浓度的增加而增大，而绿脓菌素 能有效抑制细菌的生长，抑制作用随着绿脓菌素浓度增加而增加，证明了短期内 电流的迅速升高归功于绿脓菌素的电子传递作用。当绿脓菌素浓度在6 7 5 州以 下时，产电细菌经过一段时间的自我修复，少量菌体恢复活力，在适合的条件下， 可以继续生存并繁殖，证明了电流第二次升高主要归功于阳极内产电细菌的生长。 根据扫描电镜结果证实，菌群在绿脓菌素作用后，长杆状细菌相对减少，而短杆 状细菌相对增多。 2 扬州大学硕士毕业论文 绿脓菌素能够充当电子传递介体将电子从细胞转移到电极。循环伏安结果表 明，绿脓菌素的峰电位随p h 的上升而负移，因此p h 的上升有利于微生物燃料 电池的放电。 在共阴极微生物燃料电池中，以葡萄糖为底物，使用大肠杆菌作为阳极区微 生物源，没有出现电流的上升。在此基础上，以绿脓菌素为电子传递介体，初步 探讨了绿脓菌素对大肠杆菌产电性的影响。结果表明：在厌氧条件下，绿脓菌素 没有提高大肠杆菌的产电能力；并且绿脓菌素对大肠杆菌的生长有抑制作用，抑 制作用随着浓度的增加而增加。 关键词：微生物燃料电池，输出电流，绿脓菌素，电子传递介体 袁杰：绿脓菌素对若干细菌产电性的影响 3 a b s t r a c t b e c a u s eo fe n e 玛ys h on ；唱e ，i th a sb e c o m eac o m m o ns e n s et od e v e l o pn e wt y p e s o fc l e a l le n e r g ya 1 1 da d j u s te n e 唱ys t m c t u r ei n 、o r l d m i c r o b i a l 如e lc e l l ( m f c ) i sj u s t an e wt y p eo fd e v i c e 、v h i c hg e n e r a t e se l e c t r i c i t yb yu s i n gm i c r o b e s 1 n p 甜咖聊d ，z 船口p ，曙胁d 船w a s 谢d e s p r e a di n 咖 i tc o u l db eo b t a j n e d m r o u g l ls e p a r a t i o na n di d e n t i f i c a t i o n ? p y o c y a i l i n e 、硒p r e p a r e dt l i r o u g j lt w om e t h o d s ， b i o s y n t h e s i so fn p ”咖历d ”甜伽，昭伽d s 口a n dp h o t o c h e m i c a ls y n t h e s i so fp h e n a z i n e m e t h y ls u l f - a t ew i t l ls i l i c ag e lc o l u r n nc h r o m a t o g r a p h yp 埘6 c a t i o n t h e 蚰m c t u r eo f p y o c y a n i n ew a u sc o n f i m e db yt l l e u l 仃 w i o l e t ，i n f a r e da i l dd i f r e r e n t i a ls c a l l n i n g c a l o r i m e t e r ( d s c ) 2 e l e c 仃i c i g e n sc o u l db ee n r i c h e df i o m 舶s hw a t e rs e d i m e n tt h r o u 曲m eb 甜e r ) ， d e v i c emd o u b l e c h 唧b e rm f c s 、 ，h e na c e 舡l t ew a su t i l i z e da ss u b s 仃a t e si na n o d e c h 啪b e r f o rm f c sw i t ha c e t a t ef e e d i n g ，t h ec u r r e n to u t p u ta i l de l e c t r o nr e c o v e r ) r a c h i e v e dw e r eo 0 8m aa n d3 6 9 r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h a tc u l l r e n t g e n e r a t i o nd u et ot h ee f r e c to fad e n s eb i o f i h no ft h e e l e c t r o d e s u r f a c ew h e nt h e o 唱a i l i c s u b s t l a t ew 嬲f e di i l t 0t h e s y s t e m s m 血n h e re x p e r i m e n t s ， c y c l i c v o l t a 瑚m o g 阳mm e t h o d 嘶t l la i l o d e1 i q u o r o fm f c 、弱u s e dt oc h a r a c t e r i z en l e p r o d u c t i o no fc o i n p o u n d sw i me l e c n 0 c h e m i c a la c t i v i 吼t h er e s u l t s i n d i c a t e da p r e s e n c eo fr e d o xp e a ：ka ta p p r o x i m a t e2 0 0m v ( v e r s u ss a t u r a t e dc a l o m e le l e c t r o d e ) ， a n dn l eh e i g h to fp e a l 【i nv 0 1 t a r n m o 伊锄 w a sf b u i l dt 0 c h a n g e州t h t h e e l e c t r i c i 够一g e n e r a t i o n gp r o c e s si nm f c s e l e c t r o c h e m i c a la c t i v i t ) ro fm e t a b o l i t e sw a s b e n e f i c i a lt ot h ee l e c t r i c 时g e n e r a t i o no fs u s p e n s i o nc e l l a tt h es 锄et i m e ，e l e c t r i c i g e n sw 弱c u l t i v a t e do fe x p a n s i o ni n 如m a r a t em e d i u m t 0p r 0 v i d eb a c t e r i af o rr e s e a r c hl a b o r a t o 巧o f l ei m c r o b i a l 如e lc e l l 3 g 0 0 dr c s u l t sc o u l db eo b t a i n e di nat o t a lo fc a t h o d em f c sw h e na c e t a t ew a s u t i l i z e da ss u b s t r a t e sa n de l e c t r i c i g e n se 埘c h e di i l l en a t l l r a lf - r e s hs e d i m e n ta s i n i l o c u l u mi na 1 1 0 d i cc h 锄b e r o nt h i sb 吲s ，i no r d e rt oi n j t i a l l yi n v e s t i g a t ee l e c 蛹c a l 4 扬州大学硕士毕业论文 p r o d u c t i o no fe l e c t r i c i g e n s o np y o c y a m n e ，p y o c y a n i n ea se l e c 缸o nm e d i a t o r s 、v a s a d d e dt 0t h ea n o d i cc h a m b e r t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dm a tu n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o n s ， m ed i f r e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fp y o c y a n i r l ea f r e c t e dc u r r e n to u t p u t ，a 1 1 dt h ep e a kc u r r e n t w 场c hi n c r e a s e de a p i d l y 、】i ，i t l lt h ec o n c e n t i a t i o no fp y o c y a n i n e b u tt h er e s u l t ss h o w e d t h a tp y o c y a j l i n ew a sa b l et 0e 脏c t i v e l yi r 曲b i tt h e 铲o w mo fe l e c t r i c i g e n s t h e i n h i b i t o r ye f f e c ta g 越n s tt h e mi n c r e a s e d 谢t h l ec o n c e n t r a i o no fp y o c y a n i n e 。t h e c o n c l u s i o np r 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t r o nf r o mc e l lt 0t h e e l e c t r o d e t h ec vo fp y o c y a l l i ni n d i c a t e dt h a tp e a l ( p o t e n t i a lb e c 锄em o r en e g a t i v e 2 l s p hr a i s e ，w h i c hw o u l dc o n d u c i v et o 恤c u r r e n tp r o d u c i n gi nm f c s c u r r e n tc o u l d n tr i s emat o t a lo fc a t l l o d em f c sw h e ng l u c o s ew a su t i l i z e da s s u b s t r a t e sa i l d 西c 办p ，f c 向f 口c d ，fa si n n o c u l u mi na n o d i cc h a m b e r o nt m sb a s i s ，i no r d e r t oi 1 1 i t i a l l yi n v e s t i g a t ee l e c t r i c a lp r o d u c t i o no f 点j c 向p ，记办胁c d z f o np y o c y a i l i n e ， p y o c y a l l i n e a se l e c t r o nm e d i a t o r sw a sa d d e dt 0m ea i l o d i cc h 锄b e r t h er e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tu n d e ra 1 1 a e r o b i cc o n d i t i o n s ，p y o c y a j l i n ea 腩c t e dc u 玎e n to u t p u t ，a i l d m ec u r r e n td i d n ti n c r e 2 l s ew i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fp y o c y a i l i n e p y o c y a n i n ew a sa b l e t oe 行e c t i v e l yi b i tt l l eg r o w mo fb c 办e ，缸j f l 蛔z f t l l ei 出b i t o d ，e 仃e c ta g a i n s t 也e m i n c r e a l s e dw i mm ec o n c e n t r a t i o no fp y o c y a l l i n e k e y w o r d s ：m i c r o b i a l 如e lc e i l ，t l l eo u t p u tc u 盯e n t ，p y o c y 枷n e ，e l e c t r o n 仃a i l s f e r m e d i a t o r 袁杰：绿脓菌素对若干细菌产电性的影响 9 7 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：意杰 签字日期：1 嘶年6 月乙乙日 - 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 轰杰、。 导师签名： 签字日期：弘) 嵋年6 月乙z 日 签字日期：卧咱年f 月乙乙日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 枣銮：绿脓菌素对若干细菌产电性的影响 5 第一章绪论 1 1 本文研究的科学背景 1 1 1 微生物燃料电池概述 能源作为人类赖以生存和发展的重要依赖，随着经济社会持续发展及人民生 活水平不断提高，能源需求继续增长，供需矛盾和资源环境制约将长期存在，充 足而稳定的能源供给是推动经济发展的关键要素。然而，现有的能源利用方式主 要存在发热量和燃烧效率不高、易造成环境污染、不可再生等缺点。当前使用的 矿物燃料主要是石油和煤炭，其在生产使用中产生的s 0 2 、粉尘、c 0 2 等是大气 污染和温室气体的主要来源，并且它们还面临储量严重短缺，开采和利用效率低 下等问题。在此情形下，开发新型、对环境无害的、可再生的能源及能源供给方 式是未来能源发展的主体思路。在各类清洁能源中，微生物燃料电池是极具前景 的一种技术f 1 捌。作为一种新型能源供给方式，微生物燃料电池具有清洁、燃料多 样、操作条件温和，环境相容性好等优点。因此，近2 0 年来，一直受到世界的 广泛关注。 微生物燃料电池( m i c r o b i a lf u e lc e l l ，m f c ) 作为燃料电池中的一种，并不是 新兴的东西，早在1 9 l o 年，英国植物学家m i c h a e lc r e s s ep o t e r 在利用酵母和大 肠杆菌进行试验，首次发现利用微生物可以产生电流【3 】，对微生物燃料电池的研 究也由此开始。其基本原理是利用微生物作为电池中的催化剂，将可以被生物降 解的物质中可利用的能量直接转化成为电能，结合了燃料电池与生物学技术手段， 实现了生物化学能与电能的直接转化，是种清洁的可持续能源。到了1 9 6 3 年， 生物燃料电池作为一种电源供给己经在收音机、信号灯和海洋领域进行了商业应 用。但是，这些燃料电池在商业上都没有获得成功，而在不久后就退出了市场。 随着硅电池和锂电池的成功商业化，微生物燃料电池进入了一个低谷。8 0 年代后 随着能源的日益紧缺，对微生物燃料电池的研究兴趣又开始升温，特别是2 0 世 纪初无介体型微生物燃料电池的研制成功，微生物燃料电池的输出功率有了较大 6 扬州大学硕士毕业论文 的提高，使其作为小功率电源而使用的可行性增大，从而推动了它的研究和开发， 从此对微生物燃料电池的研究又迎来了一个新的高潮期。 微生物燃料电池是一类特殊的燃料电池，其常见结构( h 型微生物燃料电池) 如图1 1 所示：通常由阳极室、阴极室和阳离子交换膜( 质子交换膜) 组成【4 1 。阳 极室通常保持无氧或缺氧环境，而阴极室则保持好氧环境。它通常利用兼性厌氧 细菌催化阳极反应，而阴极为普通的电化学反应，所以有时这种电池也被称为阳 极一微生物燃料电池( a m f c s ) 【5 1 。其基本工作原理如下：( 1 ) 在阳极室，阳极液 中的有机物在微生物作用下生成质子、电子及代谢产物，电子通过载体传送到电 极表面。随着微生物种类的不同，电子载体可能是外源的染料分子、与呼吸链有 关的n a d h 及色素分子，也可能是微生物代谢产生的还原性物质s 玉和h 2 。然 而，在特定的条件下，某些微生物能够将呼吸过程中释放的电子传递给具有氧化 电位的电极；( 2 ) 电子通过外电路到达阴极，质子则通过溶液迁移到阴极；( 3 ) 在 阴极表面，分别从外部电路和质子交换膜传递过来的电子和质子与处于氧化态的 物质( 如氧气等) 结合生成水。微生物燃料电池利用具有这一特征的微生物实现 了化学能向电能的转换。 用电器 阳极室 阳离子交换膜 阴极室 图1 1 微生物燃料电池示意图 其工作原理与传统的燃料电池也存在许多相同之处，以最常使用的葡萄糖为 例，葡萄糖在微生物催化作用下降解氧化至二氧化碳，可以释放2 4m o l 电子，其 袁杰：绿脓菌素对若干细菌产电性的影响7 阳极和阴极反应如式1 1 至1 2 ： 阳极反应： c 6 h 1 2 0 6 + 6 h 2 0j 堂垦2 6 c 0 2 + 2 4 e 一+ 2 4 h + 阴极反应： 6 0 2 + 2 4 e _ + 2 4 h + j 量丝塑l1 2 h 2 0 1 1 1 2 其总反应即为在有氧条件下微生物对有机物的代谢反应。 因此，理论上这么多电子可以被传递出去并转化为能量。其能量的转化率取 决于微生物的代谢效率和电子传递到电极上的效率。 目前，微生物燃料电池向电池外部进行电子转移的模式主要有三种。 其一：直接电子传递模式。直接微生物燃料电池实现的是无介体电子转移， 则微生物细胞必须与电极表面形成体接触，这是完成该转移过程的基本条件【引。 如图1 2 所示，有些微生物通过细胞膜表面的电化学活性组分氧化还原酶或细胞 附器将电子直接传递给电极，从而可在无外加电子传递介体的情况下将电子向电 极的转移，并获得能量维持自身代谢和生长f 7 1 。 其二：人工电子传递介体参与的电子转移模式。由于细胞膜的电绝缘性导致 了在细胞和电极间很难建立起直接的电子传递，利用一些具有生物活性的氧化还 原介体帮助电子从微生物细胞传递到电极。微生物细胞中电活性基团( 即酶的氧 化还原活性中心) 存在于微生物细胞中，于是，如图1 3 所示，在电子传递介体 的参与下，氧化态电子传递介体能够穿过细胞膜，与细胞呼吸链上某端耦合得到 电子，形成还原态电子传递介体。还原态电子传递介体穿过细胞膜，扩散至电极 表面发生反应，将电子转移给电极，形成氧化态电子传递介体。细胞和电极表面 之间可以像使用电线一样连接起来，形成电子通路。 其三：细菌自身合成的电子传递介体参与的电子转移模式。通常细菌通过两 种途径来合成：一种是通过制造可以被氧化的代谢中间物( 初级代谢物) ，如图1 4 所示；另一种是通过制造有机的、可以被可逆的还原化合物( 次级代谢物) 。 8 扬州大学硕士毕业论文 底物 产蝴 细胞外膜 - 细胞内膜 导电纤毛 氧化还原酶 。 电子 图1 2 微生物细胞一电极的电子直接转移模型 底物 产物k 薰 图1 3 电子介体进行电子转移模型 底物 图1 4 代谢产物不可逆电子传递模型 虽然微生物燃料电池的输出功率有了大幅度的提高，但与传统的燃料电池相 比，仍存在着巨大的差距，目前还不可能作为能源供给装置被广泛使用。然而， 与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池又具有操作上和功能 上的优势： ( 1 ) 将底物的化学能直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率； ( 2 ) 与现有的所有生物能处理条件相同，m f c s 在常温，甚至是低温的环境条件 下都能够有效运作： 1，j 一 阳极 一 门口 氛夕 物 物 声 产 化 谢 氧 代 壅态- 堡鐾笪蠢墨寸黄干绅笪产电性的影响9 ( 3 ) 不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳( 般条 件下没有利用价值) ； ( 4 ) 不需要能量输入，仅需通风就可以补充阴极气体： ( 5 ) 使用的原料范围广，可以是各种糖类，有机酸等纯净物，也可以是动物的排 泄物，废水等混合物2 】； 因此，m f c s 具有广泛的应用潜力，特别是在缺乏电力基础设施的地区，同 时它也满足了我们对能源多样性的需求。 1 1 2 绿脓杆菌及绿脓菌素的概述 铜绿假单胞菌( n p “如脚彻册口e r 昭f 玎d 5 口，尉) ，又名绿脓杆菌，属假单胞属， 是种致病力较低但抗药性强的杆菌，广泛分布于自然界及健康人的皮肤、呼吸 道和消化道，它在岩石和土壤的湿润表面可形成生物被膜【1 3 】，是临床上较常见的 条件致病菌之一，能引起化脓性病变，感染后因脓汁和渗出液等病料呈绿色，故 又名绿脓杆菌。它长约1 5 3 0 岬，宽约o 5 0 8 p m ，单在、成对或偶成短链。在 肉汤培养物条件中可以看到长丝状形态，菌体有1 3 根鞭毛，运动活泼，能形成 芽孢及荚膜。在普通培养基条件下，菌体为单端单根鞭毛，运动能力强，无芽孢。 易被普通染料着染，革兰氏染色呈阴性。铜绿假单胞菌是医院外科感染的重要病 原菌，也是年老体弱、慢性疾病和免疫功能低下者合并感染的常见病原菌之_ 1 4 】。 目前研究显示在一定的培养条件下，假单胞菌大多可以分泌一定种类和数量 的小分子代谢产物，如含氮杂环色素化合物( 吩嗪类色素物质) ，这些色素类物质 包括1 羟基吩嗪、绿脓菌素、氧绿菌素、铜绿菌素、铜绿菌素b 2 羟基1 羧基吩 嗪、1 羧基吩嗪等【1 5 1 引。 当前研究较多的是铜绿假单胞菌产生的多种吩嗪( p h e n a z i n e s ) 类色素【1 9 2 1 1 ， 包括： 1 酰胺- 吩嗪( p h e n a z i n e 1 - c 打b o x a m i d e ，p c a ) 、5 - 甲基吩嗪- 1 酮 ( 5 - m e t l l y l p h e n a z - l o n e ，p y o c y 锄i n e ) ，即绿脓菌素( 如图l 一5 所示) 和1 一羟基一吩嗪 ( 1 - h y d r o x y p h e n a z i n e ，1 h p ) 等。此外研究还表明，这些色素具有较强的抑菌活 性【2 2 - 2 4 1 。 1 0 扬州人学硕士毕业论文 i c h ； 氧化型还原型( 酸| 生) 图1 5 绿脓菌素的示意图 铜绿假单胞菌可分泌多种毒力因子使感染的呼吸道发生病理变化，其中之一 便是吩嗪类物质。在铜绿假单胞菌分泌的各种吩嗪类物质中，绿脓菌素的含量最 为丰富，且9 0 9 5 的铜绿假单胞菌可产生绿脓菌素。有报道称在铜绿假单胞 菌感染病人的痰液中绿脓菌素浓度高达1 0 0 岬0 1 彬2 5 1 。它是铜绿假单胞菌中的主 要致病因子，绿脓菌素可降低支气管黏液流动速度，有利于铜绿假单胞菌定殖于 呼吸道：同时绿脓菌素还逐步降低呼吸道纤毛摆动频率，最后可发展为广泛的纤 毛停滞，进而导致上皮细胞损伤1 2 酬。 绿脓菌素是铜绿假单胞菌产生的一种蓝色的、具有氧化还原活性的次级代谢 产物，是重要的致病因子和促炎介质。在需氧溶液中，绿脓菌素通过还原型烟酰 胺腺嘌呤二核苷酸( n i c o t i n a m i d ea d e l l i n ed i n u c l e o t i d e ，n a d h ) 或还原型烟酰胺 腺嘌呤二核苷酸磷酸( n i c o t i n a m i d ea d e n i n ed i n u c l e o t i d ep h o s p h a t e ，n a d p h ) 容易直接被还原，经由氧化还原循环产生过氧化物，而过氧化物和相关的活性氧 簇能诱导细胞发生氧化损伤甚至死亡。因此，在有氧条件下，由于绿脓菌素能自 由地穿透细胞生物膜、干扰正常离子转运、打断细胞呼吸链、产生大量氧自由基 而导致细胞死亡。 1 2 微生物燃料电池研究现状 微生物燃料电池的性能受到生物过程和电化学过程两个方面的影响。综观文 献，影响微生物燃料电池输出功率的主要因素有以下几大类：( 1 ) 动力学因素， 阳极和阴极反应活化能的因素；( 2 ) 内阻因素，主要来自电解液的离子阻力，电 极与接触物质产生的电阻，以及p e m 所产生的内电阻：( 3 ) 传递因素，反应物到 微生物活性位的传质阻力和阴极区电子最终受体扩散等。 文m 瓢哪弧 袁杰：绿脓菌素对若干细菌产电性的影响 1l 1 2 1 动力学因素 一般而言，微生物燃料电池的开放电路电势( 0 c p ) 的值大约在7 5 0m v 7 9 8 m v 【2 7 】之间。影响该电位偏离的参数包括电极表面极、内阻、电荷传递电阻、溶 液组成和电流大小等。微生物燃料电池来自动力学制约2 8 1 的主要表现是活化电势 较高，致使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低，难以获得较高的输出功率。 因此，这成为研究的关注点之一。 在电池中，解决动力学制约的途径包括： 其一，由于选择的菌种在相当程度上影响微生物在电极上的富集速度，进而 影响电池的最终输出功率，因此需要选择产电效率高的菌种，即能够将电子直接 传递到电极上微生物。 一个主要途径是通过增加选择压力，迫使微生物本身向着高产电效率的方向 进化。目前，微生物驯化过程的常规操作是：在厌氧条件下，直接用天然厌氧环 境中的污泥或污水处理厂的活性污泥接种微生物燃料电池，接通外电路后观察微 生物燃料电池各种性能的变化，定期更换培养液，直到微生物燃料电池性能稳定。 鼬m 等【2 9 1 尝试考察了接种体的预处理方式对混合菌接种的微生物燃料电池性能 的影响。研究结果表明，如果接种体在加入到微生物燃料电池前先行除去产甲烷 的菌株，然后再接种，则不利于微生物燃料电池功率的提高；而如果采用i h b a e y 等 【3 0 1 开发的驯化方法，则可以提高微生物燃料电池的输出功率。有文献【3 1 1 指出，选 择厌氧好氧混合污泥作为微生物催化剂，葡萄糖作为燃料的电池，经过3 个月的 微生物驯化培养后，电能转化率达到了未驯化前的8 倍。 另一个主要途径是对微生物进行基因工程改造。因为微生物产电过程只是厌 氧呼吸过程的延伸，所以在自然条件下微生物的产电效率是很低的。因此对现有 的产电微生物进行驯化改良是提高产电微生物产电效率的重要一步。研究者可以 通过增加某个基因过量表达与电极直接接触的膜蛋白来提高电子传递效率。 其二，电极对电池性能也有着重要的影响。 对于阳极而言，方面对于那些能通过细胞膜直接将电子传递给阳极的细菌 来说，可以通过采用较大表面积的阳极提高产电效率。这样伴随着微生物的生长， 1 2 扬州大学硕士毕业论文 在阳极表面会形成更大面积的生物膜，电能转化率也会随之快速提高。有研列3 2 】 表明，阳极面积增大4 倍，功率密度会增大3 倍。另一方面可以通过对阳极进 行改性提高产电效率。阳极材料要求具有导电性、生物相容性和化学稳定性。一 般情况下碳材料，如碳纸、碳棒、碳颗粒、碳毡等，由于具有廉价易得，比表面 积较大，生物相容性好等优点被认为是最佳的阳极材料。研究表明【3 3 1 ，在电池中 使用不同碳材料作为阳极时，电池的电流输出由大到小的顺序是：石墨毡) 碳泡 沫材料) 石墨，即电流输出随材料比表面积的增大而增大。同时，铂也具有较高 的催化活性，铂电极或铂黑电极比石墨电极的性能好，文献报道在以大肠杆 菌作为微生物催化剂时，石墨阳极并不能产生电流，而铂电极产生的电流高达2 4m a 。然而，由于金属铂比较昂贵，且易于污染，所以采用性能接近的廉价材料 代替铂是一个发展趋势。为提高阳极性能，研究者们采用各种物理、化学方法对 阳极进行了改进。通常增加电极比表面积的方法大致有两种：一是采用比表面积 较大的材料或可以制造任意不同孔径的材料( 如碳毡【3 5 1 、网状玻璃碳纤维等) ；二 是采用堆积的碳颗粒等【3 6 1 。比如采用氨气对碳阳极表面改性，提高电极所带的正 电荷量，增强微生物细胞与电极表面的静电吸附力作用，缩短了富集时间，同时 电池输出功率密度也提高了约7 5 倍3 7 1 ；在碳电极表面沉积铁氧化物3 引，在石墨 电极表面沉积m n 4 + 、f e 3 0 4 或者共沉积f e 3 0 4 与n i 2 + 等都能缩短电池产电的适 应阶段；在石墨电极表面修饰聚苯胺【3 9 1 、氟化聚苯胺4 0 1 和碳纳米管聚苯膨4 1 1 ， 都能取得较好的产电性能。 对于阴极而言，电子最终受体在阴极上的还原速率也是决定电池输出功率的 重要因素。有研究【2 8 1 表明，采用镀铂或者经铂修饰后的石墨电极具有较高的催化 活性，能明显降低活化电势。 1 2 2 c 的内在电阻因素 m e n c h 指出，内阻的微降会显著地提高输出功率，因此，内阻在提高电池的 输出功率方面具有重要影响。内阻既依赖于电极之间的电解液的电阻值，也取决 于膜电阻的阻值。 考虑到以上各囚素对微生物燃料电池性能的影响，电池在实际运行过程中， 袁杰：绿脓菌素对若干细菌产电性的影响 1 3 其输出电压可由下式表示【4 2 】： 吃= e o o d e i ，。+ ，。l e 抓。d e i ，。+ ，。i 一氓5 丘血o d e i ，c + ，k 。cl e 融一l ，a + ，k ，al i k 其中，岛0 d 。、丘a t h o d 分别表示阳极、阴极的平衡电位，在开路状态下，其差 值等于开路电压。，7 。、叩咖。，。分别表示阳极、阴极浓差过电位，叩缀，丑、，7 a c t ，。 分别表示阳极、阴极的电化学活化过电位。由于离子迁移与电极欧姆电阻造成的 电压降符合欧姆定律，可由电流与等效电阻的乘积浓i 表示。 降低内阻的优化条件是：阳极和阴极位置尽可能的相互接近，选用性能更好 的交换膜或者增加电解质溶液电导率，这都能够在一定程度上提高微生物燃料电 池的输出功率f 4 ”。 ( 1 ) 电极间距离对内阻的影响。 阳极和阴极需要尽可能的相互接近。m i n 等将阳极和阴极分别固定在离子交 换膜的两侧，在处理连续流污水的过程中，获得了7 6m w m 2 的输出功率。z h e n 设计了上流式微生物燃料电池( u m f c ) ，使用了与r a b a e y 阳】相同的离子交换膜 和电极材料，但其电池的内阻却是后者的2 7 倍，这主要是因为在u m f c 中，两 个电极间的距离较远，质子在电解液中传递时遇到的阻力变大，导致内阻变大。 ( 2 ) 交换膜对内阻的影响。 一方面可以通过改善交换膜的性能来改善电池性能。目前大部分关于微生物 燃料电池的研究都是使用杜邦公司生产的质子交换膜。因为其具有较高的质子选 择性而表现出良好性能，能够满足微生物燃料电池初步研究的要求。然而，由于 n a f i o 旷膜对于污染( 生物) 是很敏感的，因此有些研究者使用了盐桥或自制膜 【4 5 4 7 】 o 另一方面可以通过改变交换膜的面积来改善电池性能。l i u 【2 7 】等通过增大隔 膜的表面积有效地减小电池的内阻【4 引。l o g a i l 等在电极和交换膜性质相同的情况 下，实验测定了交换膜的表面积变化对内电阻大小的影响，结果表明在实验条件 下，若交换膜的面积小于电极面积，会增加电池的内阻，从而限制电池的输出功 率；如果交换膜的表面积足够大，交换膜对功率的影响可以忽略不计，即交换膜 对内阻的影响接近为零。从上述实验结果可以看出，交换膜的面积也是影响微生 1 4 扬州入学硕十毕业论文 物燃料电池最大输出功率的重要因素之一。 ( 3 ) 电池溶液的离子强度也是影响电池内阻的重要因素。 l o g a n 等通过向培养基中添加k c l 来增加培养基的离子强度( 增强溶液的 导电性) 来提高电池的输出功率。 1 2 3 传递因素 在微生物燃料电池中，阴极区电子最终受体的扩散速率、细菌将电子传递到 阳极的速率、微生物对不同浓度底物转化的速度、操作温度和酸碱度均对微生物 燃料电池内的物质传递有影响。 ( 1 ) 阴极区电子最终受体的扩散速率对微生物燃料电池内的物质传递的影响。 阴极区具有显著的电势损失。为了改善这一点，一些研究者们使用了铁氰化 钾、氧气、高锰酸盐等，但是效果各异。 采用铁氰化钾作为阴极反应的电子受体时往往能获得相对较高的电池输出功 率密度，如3 6 0 0m w m 2 f 1 8 】，所以研究中通常采用铁氰酸盐来作为最终电子受体， 以获得更大的输出功率和电流，但是铁氰化钾接受电子的容量有限，到一定程度 接受饱和就会失去作用，需要再生。因此，一般认为铁氰化钾只适用于实验室研 究。最近，y o u 等采用高锰酸盐作为阴极最终电子受体，由于高锰酸盐氧化能力 非常强，在同样条件下获得的电池输出功率密度分别为铁氰化钾和氧气的4 5 倍、 1 1 3 倍。但是如果要达到可持续状态，微生物燃料电池的阴极最好是开放性的阴 极。l o g a l l 等【5 0 】成功地研究出空气阴极微生物燃料电池，仅需通风就可被动补充 氧气，大大降低了的运行成本。这是由于作为阴极反应的电子受体一氧气，廉价 易得，可持续提供，并且还原产物为无污染的水，其存在不用后处理的优势，因 此被认为是最合适的最终电子受体。但是采用氧气作为最终电子受体也存在缺陷， 一方面是由于氧气容易向阳极区扩散，破坏阳极区的厌氧环境，从而降低电池的 库仑效率和电能输出；另一方面是氧气在水中的溶解度较低，传质速率较小，影 响着阴极反应速率【5 1 睨】。 ( 2 ) 阳极中电子传递介体对微生物燃料电池内的物质传递的影响。 其一：人工合成的电子传递介体的电极反应。在很多研究中，研究者都向阳 袁杰：绿脓菌素对若干细菌产电性的影响 1 5 极室中添加人工合成的电子传递介体，比如中性红( n r ) f 5 鲫、亚甲基蓝( m b ) 、 硫堇【1 0 - 1 2 ，5 4 】等。结果表明这些电子传递介体能够影响某些细菌的功率输出。然而， 这些电子传递介体污染环境，且成本相对较高，从而限制了人工电子传递介体在 微生物燃料电池中的使用。 其二，生物自合成的电子传递介体的电极反应。电子传递介体除了化学合成 外，细菌也能够自合成某些代谢产物作为电子传递介体。微生物的代谢产物主要 通过以下两种方式将电子从细胞转移到电极。第一种途径是细菌能够产生还原性 代谢产物，如发酵产物( h 2 ，c 2 h 5 0 h ，n h 3 ) 和一些无氧呼吸的产物( h 2 s ) 等。 这些还原性代谢产物能在电极表面直接被氧化。目前已从微生物燃料电池中分离 出一些生成发酵产物的微生物，比如梭菌属( c 7 珊，动堋) ，产碱菌叫比柏护刀嚣) 和 肠球菌( 丘锄胞，d c d c c 螂) 。但是d e r e kr l o v l e y 认为大多数发酵产物的电极反应速率 非常小、一些代谢产物溶解度不高且电极表面易被氧化产物污染，导致产电效率 比较低5 5 1 。第二种途径是某些细菌能够在代谢过程中产生具有电化学活性的物 质，例如腐败谢瓦纳拉菌( 黝p j 口，z p 妇p 甜哦f p 胛s ) 以及铜绿假单胞菌 ( n p “如m d 刀甜口p ，昭f 胛d 咖，它们能利用该代谢产物进行胞外电子传递。近期的 研究表明：这些微生物的代谢产物不仅能影响微生物燃料电池的性能，甚至还干 扰了细胞外电子传递过程。如图1 6 所示，细菌产生的代谢产物作为电子传递介 体，通过氧化态和还原态之间的转换实现电子的转移，其电子转移过程与人工电 子介体的转移过程相似。据报道称将跏p w 口力p 妇d 疗p 胁舾西分泌的代谢产物一醌 类物质作为电子传递介体，能够将呼吸过程中产生的电子转移到细胞外的电子受 体j e 3 + 【5 6 1 。r a b a e yk 等从微生物燃料电池中分离出铜绿假单胞菌，其能够代 谢出吩嗪类色素，该类物质( 如绿脓菌素) 具有电化学活性，能够提高某些细菌 的功率输出【5 7 _ 5 羽。 其三：直接微生物燃料电池实现的是无介体电子转移。完成该转移过程的基 本条件是微生物细胞必须与电极表面形成体接触【6 1 。在微生物燃料电池中，某些 细菌( 如g p d 6 口c 陀，聊e m ，咖p 幽卯册，r 厅。砒瞻，锻膨，厂咖p 幽c p 船) 能够直接利用电极 作为电子受体将有机底物彻底降解为c 0 2 、h 2 0 ，且库仑效率均高于8 0 。d e r e k 6 扬州大学硕士毕业论文 rl o v l e y 建议将这种高效产电的细菌定义为“产电菌”( e k c 护f c 。同时， 有文献报道l o v i e yd r 利用从天然沉积物中分离的函d 6 d m m 卯口产生了电流 输出。g p 0 6 d c f 洲阳p 利用石墨阳极作为电子受体，产生能量维持自身生长。产 电菌在利用固体氧化物作为电子受体时，细胞生长出被称作“纳米导线” ( n a n 0 谢r e s ) 的导电纤毛( p