穩定高效產電細菌生物膜構建研究

項目摘要

微生物燃料電池可發展成直接從生活污水、環境沉積物等複雜介質中回收電能的能量轉化裝置，而在電極表面構建出穩定高效的產電細菌生物膜是發展具實用價值的微生物燃料電池技術的關鍵環節。本項目利用電化學方法從不同環境沉積物和生活污水中富集產電菌群，並通過電化學方法篩選出具較高產電能力的產電菌群，豐富構建高性能產電細菌生物膜的基礎材料。另一方面，對適用於微生物燃料電池的碳電極材料進行改性、摻雜和功能化，使之更有利於產電菌群的附著和成膜。在上述基礎上，系統研究不同產電菌群在不同電極材料表面形成產電生物膜的過程。項目重點研究產電細菌生物膜在電極表面的成膜過程和成膜條件，考查不同成膜條件下形成的產電生物膜的產電效率和產電穩定性，弄清楚產電細菌生物膜中細菌的種群結構和生物膜微米尺度上的空間結構，探索穩定高效產電細菌生物膜的成膜條件和成膜方法，為構建穩定高效的產電細菌生物膜奠定基礎。

結題摘要

微生物電化學反應器能直接利用生活污水和環境沉積物中成分複雜的有機質為燃料產生電能或高附加值化學產品,系統能量轉化效率和運行穩定性直接與陽極表面產電細菌生物膜的電催化性能有關。項目研究了不同環境接種物、有機底物類型、電極材料、pH條件及生物膜成膜方式等對產電細菌生物膜的電催化活性及運行穩定性的影響。在項目考查的不同類型接種物(包括淡水沉積物、啤酒廠活性污泥、城市生活污水處理廠活性污泥等)中，啤酒廠活性污泥具有啟動快和啟動性能高等優勢。在項目考查的有機質類型中，非發酵性底物(醋酸鹽)比發酵性底物(葡萄糖)更易於富集出高催化活性的微生物菌群。項目研究表明，電極材料表面粗糙化處理有利用生物膜的形成和電催化性能的提高。項目研究揭示出，中性和弱鹼性(pH=6~8.5)是陽極細菌生物膜發揮催化功能的適宜pH範圍，當介質為酸性/強鹼性 (pH<5.5或pH>9)時，陽極細菌生物膜的電催化活性會顯著地受到抑制。但項目研究也發現，在強鹼條件下(pH=10)利用發酵性底物葡萄糖對啤酒廠活性污泥的馴化培養，可馴化培養出耐強鹼性(pH=11)的電催化細菌生物膜，生物膜中優勢菌為Eremococcus屬，在生物膜菌種中占70%以上。通常情況下，催化活性不高的陽極生物膜會成為電池系統做功的限制環節，項目研究表明，陽極細菌生物膜的電催化活性低是在串聯微生物燃料電池組中某些電池出現極性反轉的重要原因之一。陽極生物膜的電催化活性除了與系統中化學/微生物學條件有關外，成膜過程的電化學操作方式對細菌生物膜的電催化活性影響顯著。項目研究揭示出適宜於電催化細菌生長的電勢範圍約為-0.4 V~+0.4 V(vs. SHE)。電池系統中微生物陽極啟動階段，以電勢適應(恆外阻方式啟動或恆電勢方式啟動)生長方式形成的細菌生物膜普遍缺乏對高工作電流的適應性，高工作電流(極限電流)使得電勢適應方式啟動的生物膜陽極容易被過度極化而損壞。項目研究發現，以電流適應生長方式(極限脈衝電流刺激方式)可以構建出高催化活性和高運行穩定性的陽極細菌生物膜，項目以電流適應生長方式構建的陽極細菌生物膜可以在近10 A m-2的工作電流下穩定運行。目前發現的電催化細菌多為格蘭氏陰性菌，本項目研究發現了格蘭氏陽極菌Enterococcus faecalis能夠利用核黃素為電子介體完成胞外電子傳遞，這豐富了對格蘭氏陽極細菌電催化機制的認識。

穩定高效產電細菌生物膜構建研究

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