环境生物技术

1、2015 年 春 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目: 环境生物技术 学生所在院（系）: 市政环境工程学院学生所在学科: 环境科学与工程学 生 姓 名: 陈玲波(14S027122)、马珊珊(14S027117)靳敏(14S027120)、李硕(14S027121)学 生 类 别: 硕士考核结果阅卷人 第 1 页 （共 9 页）湿地植物构建植物沉积型微生物燃料电池1. 研究背景工业革命以来，化石燃料支撑着工业和经济的发展，然而毫无疑问，化石燃料难以维持整个世界的经济。石油预计将在未来的100年或更久后枯竭。但是，在未来的10-20年内，石油的需求量将超过石油的产出量。全球将面临

2、严峻的能源短缺问题1。能源短缺和环境污染是21世纪人类面临的两大难题。我国湿地污染日益严重，河流中不能被降解的污染物则沉积到底泥，造成湿地污染严重。主要污染物包括：1）重金属：主要包括汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重元素。重金属有能被生物吸收利用或对生物产生毒性效应的性状，可用间接的毒性数据或生物体浓度数据来评价。湿地中的重金属与不同载体相结合，以多种形态存在，大致有可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和金属残片等。不同形态的重金属具有不同的生物有效性2。Stone 和 Droppo 3研究了加拿大安大略省河流沉积物中重金属的分布时发现，在各径粒范围内的沉积物中，

3、有机质结合态都是Zn、Pb 等重金属的主要存在形态。重金属通过吸附、络合、沉淀等作用而沉积到底泥中，同时与水相保持一定的动态平衡。当环境条件发生变化时，重金属极易再次进入水体，成为二次污染源。2）持久性有机污染物：持久性有机污染物是一类具有毒性、持久性、生物蓄积性和半挥发性，且能在大气环境中长距离迁移并沉积回地表环境，对人类健康和环境造成严重危害的有机污染物4，如日常应用中的滴滴涕、灭蚁灵等有机氯农药，PAH（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，多环芳烃）和PCBs（polychlorinated biphenyls，多氯联苯）等有机物。其中 PAH 存在煤和石油

4、的燃烧、以及炼油厂、煤焦油加工厂和沥青加工厂等排出的废气和废水中。PCBs 则被用于变压器和电容器、热交换器和水力系统、无碳复印纸、工业用油、油漆、添加剂、塑料、阻燃剂等。由于疏水性强、难降解，在湿地中大量积累。通过生物富集作用，有毒有机物可以在生物体内达到较高的水平，从而产生较强的毒害作用，通过食物链还可能危害到人类5。底泥中的 POPs 类污染物能通过生物富集作用在生物体内达到较高的浓度，从而对生物体产生较强的毒害作用。这些污染物还能够通过水-泥界面的迁移转化作用重新进入水体，并通过复杂的污染生态化学过程，即在气-水-生物-底泥等多介质环境体系中的迁移、转化和暴露，在人和动物体内大量累积，

5、影响人和动物的生殖系统健康，从而对人类未来的生存发展构成严重威胁。在人类活动干扰较小的湖泊中，沉积物有机物以内源输入为主。天然湖泊沉积物中内源输入的有机物占沉积物总有机质的90%以上4。 可再生的生物质能由于不会增加二氧化碳的净排放量而被认识是减缓当前能源与环境危机的途径之一。微生物燃料电池(MFC)是一种可以利用微生物的催化作用通过氧化有机及无机物质产生电能的装置。它是一种利用废水或者其它废弃物产生电能的新技术，具有极大的研究价值和发展空间。沉积物微生物燃料电池(SMFC)是MFC的一种特殊形式,在水底环境中运行，是一种典型的无膜微生物燃料电池。由埋在厌氧底泥中的阳极和悬于好氧水体中的阴极组

6、成，利用污泥的沉降性，将阴阳极两区域自然分离。其结构简单，成本低廉。微生物通过代谢作用氧化沉积物中的有机物产生电子和质子，电子从微生物传递至阳极并通过导线传递到阴极，质子通过泥水界面到达阴极与阴极区中的溶解氧和从导线传递到的电子结合生成水，从而将有底泥中的机污染物去除和能量回收同步完成。一般情况下，加入电子受体或电子供体支持微生物的呼吸可以促进有毒污染物的生物降解6。电极可以作为电子受体支持微生物呼吸，达到降解污染物的目的。另外利用电极作为电子供体支持微生物有毒污染物的还原，例如在铀的污染中，U6+可以从电极上获得微生物产生的电子而还原成为U4+，附着在阴极表面而去除7。MFC生物修复技术也可

7、以进行地下水的修复，其阳极为能够长时间提供能量的颗粒底物（如几丁质），同时获得电能。细菌通过介体或纳米导线将电子供给阳极，但电子的转移是可逆的，即细菌能从电极接受电子，使其成为生物阴极。Gregory等人6在完全厌氧的系统中，使用纯培养和混合培养的Goobacte：实现了用生物阴极进行原位硝酸盐的生物修复。当存在高浓度的可生物降解的有机物时，也可进行阳极氧化修复。例如，在一个被石油污染的地方，用粒状石墨作阳极，化学物质在阳极被氧化，提供电流到阴极，在阴极，氧气作为电子受体。Jin等人8使用MFC修复被石油污染的地下水，产生了持续的高达120mW/m2阴极的功率密度。与自然降解速率相比，石油化合

8、物的降解速率明显提高了。研究较多的植物型微生物燃料电池包括以低等水生植物如绿藻 ( Chlorophyta) 、蓝藻 ( Cya-nobacteria) 等浮游植物构建的电池和大型水生能源植物如水稻( Oryza sativa) 、凤眼莲( Eichhornia cras-sipes) 、芦苇( Phragmites australis) 及甜茅属( Glycer-ia) 等与 MFC 耦合的电池2研究内容2.1 试验植物及培养基 粉黛万年青为天南星科花叶万年青粉黛万年青属，多年生常绿草本植物。小白掌为天南星科苞叶芋属，花期长达春、夏、秋3 季，但以春、夏最盛。金边富贵竹为龙舌兰科龙血树属，呈

9、灌木状。鹅掌柴为五加科鹅掌柴属，灌木。 电池运行时所用植物培养基为1/2 改良霍格兰氏培养液加10 mmol/L 磷酸盐缓冲液， 具体配方：四水硝酸钙472.5 mg/L，硝酸钾253 mg/L，磷酸铵40 mg/L，磷酸二氢钾68 mg/L，硫酸镁246.5mg/L，铁盐溶液（七水硫酸亚铁5 560 mg/L，乙二胺四乙酸二钠7 460 mg/L）1.25 mL，一水磷酸二氢钠490.4 mg/L，磷酸氢二钠915.2 mg/L，pH=7.0。2.2 试验装置及运行条件 试验装置如图所示：下层泥土区（高度：9.3cm） 为阳极厌氧区域， 阳极电极（石墨毡，146.4cm2）呈圈式包围植物根系

10、并埋于土壤中，上层水相（高度：2.4 cm）为阴极好氧区域，阴极电极（石墨毡，151.6 cm2） 悬浮于好氧水面， 阴阳极由导线连接，外电阻为1 000 ，每个电池所需水溶液体积为550 mL。试验所选植物栽种于阳极土壤中，植物茎叶穿过阴极电极伸展于水面上。Plant-SMFC 构建好后，将其放置于室温（20±5 ）下运行，光照强度为2 000 lux，光暗周期10h14 h。电池运行过程中每隔1 d 补充蒸馏水至原水位处，以防止正常的水气蒸发流失。2.3 分析方法及主要设备 电压（U）由Keithley 2700 数据采集器(美国Keithley 仪器公司)每隔10 min 自动

11、采集和保存。功率密度（P） 为基于阳极面积的功率，P=UI/A（A为阳极有效面积，电流I=U/R，R 为试验所设外电阻）。当SMFC 运行稳定后，采用稳态放电法测试电池的表观内阻。 阴阳极电极电位测定： 以Ag/AgCl 电极作为参比电极，用万用表测阴阳极电极电位。 阴极氧还原活性检测：使用CHI660D 电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）进行线性扫描伏安（linear sweep voltammetry，LSV）测试，采用三电极体系，Ag/AgCl 电极为参比电极，需检测阴极样品为工作电极，铂电极为对电极（工作电极与对电极工作面积均为1 cm2）， 新鲜配制50 mmol/L 的P-buf

12、fer （磷酸二氢钠：2.452 g/L； 磷酸氢二钠：4.576 g/L）并曝气30 min 作为电解液，将三电极体系放入电解液中， 使用电化学工作站从开路电压扫至-0.3 V，扫描速率为10 mV/s。 根系分泌物分析： 取一株植物根系用自来水洗净， 再用去离子水冲洗3 遍， 将植物根系放入50 mL 灭菌去离子水中光照培养4 h 后取出植株，立即向收集液中添加羧苄青霉素、四环素、氯霉素、卡那霉素各10 mg/L，以防止微生物对根分泌物的分解。将溶液（置于-20 冰箱保存）用真空旋转蒸发仪在40 下浓缩至5 mL，过滤（0.45 m滤膜）后，在岛津高效液相色谱仪（LC-20AT，色谱柱：S

13、C1011）上测定有机酸的种类和数量。2.4 试验内容 以4 种不同的湿地植物粉黛万年青、小白掌、金边富贵竹、鹅掌柴构建植物沉积型微生物燃料电池（Plant-SMFC），不种植物的空白沉积型微生物燃料电池（SMFC）作为对照，对各个电池组的产电能力及阴阳极电极电位进行分析， 利用LSV 鉴定生物阴极的形成， 最后通过HPLC 对不同植物根系分泌物中有机酸的种类和含量进行分析， 以此来说明各电池产电差异， 从而选出适合构建Plant-SMFC 并能显著提高其产电性能的湿地植物。3创新点及技术优势1）目前国内外 Plant-SMFC 的研究均处于起步阶段，植物类型对构建高效 Plant-SMFC

14、的影响研究尚不清楚， 特别缺少不同植物类型根系分泌物如何影响 Plant-SMFC 的产电机制分析；2）考察4 种不同湿地植物构建Plant-SMFC对电池产电基础特性的影响，并从根系分泌物的角度分析其影响机理，可为Plant-SMFC 的实用化奠定理论依据；3）利用 HPLC 分析了不同植物根系分泌物中有机酸的种类及含量，分析研究根系分泌有机酸的种类及含量与产电水平的关系；PMFC 相比一般的太阳能电池不仅能产电，还能产生大范围的燃料物质，而且不需昂贵的材料来构造电池，成本相对较低; PMFC 增加了 MFC 系统的生物多样性，且具有美学价值; 系统能够自我修复，生命周期长且维修费用更低，以

15、微生物作为催化剂使得其可广泛用于自然环境中且没有污染的风险。PMFC 是将电化学方法融入到生态系统中的新能源技术，因此除了深入研究提高 MFC 的产电问题，重点在于如何保持微生态系统中各成分之间的平衡，并使其功能最大化，建议深入研究以下几个方面: 有关影响 MFC 性能因素的研究，如电极材料的优化、燃料电池的结构、传递体及其他环境因素对产电效率及产电量的影响，并应用到 PMFC 中; ( 植物、微生物及基质的筛选; 根际微环境中各成分之间的相互作用。4研究方法和技术路线对照组SMFC实验组SMFC文献查阅万年青小白掌富贵竹鹅掌柴万年青小白掌富贵竹鹅掌柴产电能力生物阴极有机酸分析产电能力生物阴极

16、有机酸分析构建Plant-SMFC体系参考文献：1. 微生物燃料电池. 美 Bruce Logan著,冯玉杰、王鑫等译,化学工业出版社2. 程晓东，郭明新. 2001. 河流底泥重金属不同形态的生物有效性J. 农业环境保护, 20(1)：19-22. 3. Stone M, Droppo I G. 1996. Distribution of lead, copper and zinc in size-fractionated river bed sediment in two agricultural catchments of southern OntarioJ. Canada Enviro

17、n Pollut , 93(3): 353-362. 4. 王化可，李文达，陈发扬. 2006. 富营养化水体底泥污染控制及生物修复技术探讨J. 能量与环境, 5(4)：15-18。5. 陈华林, 陈英旭. 2002. 污染底泥修复技术进展J. 农业 环境保护, 21(2)：179-182.6. Gregory K B, Bond D R, Lovley D R. GraPhite electrodes as electron donors for an aerobic respiration.Environ Microbiol,2004,6:596-604.7. Gregory K B, L

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