论文总字数：24639字

摘 要

全球能源紧缺以及环境污染问题的日益加剧，使得更新环境友好处理工艺成为越来越有研究价值的一个方向。微生物燃料电池因可同时实现污染治理、高能量转化效率、常温产电、无废气处理、不需输入较大能量的诸多优势，具有广阔的应用前景。

本文是以改造后的希瓦氏菌与改造前的希瓦氏菌在MFC反应器中产生的电量进行对比，比较改造前后产电优化的倍数。首先将3个菌株进行活化，在经过12小时的活化时间再经过12小时的扩大培养以及清洗培养液替换为M9缓冲液的周期运行条件下观察MFC的产电情况、阳极希瓦氏菌的生长情况、阳极室的极化曲线以及改造前后的希瓦氏菌产电优化情况。试验结果表明阳极改造前后的希瓦氏菌MFC的产电水平、阳极希瓦氏菌的生长情况、阳极室的极化曲线以及改造前后的希瓦氏菌产电优化都有了明显的提高，最终在双室MFC中改造菌Shewanalla-6PGDH在周期中获得最大输出电压为516.2 mV，是改造前的Shewanalla的1.90倍，改造菌Shewanalla-G6PDH获得最大输出电压为448.4 mV，是改造前的Shewanalla的1.17倍，改造菌Shewanalla-6PGDH在周期中获得最大输出功率密度为117.04 mW/m²，是改造前的Shewanalla的2.49 倍，改造菌Shewanalla-G6PDH获得最大输出电压为76.97 mV，是改造前的Shewanalla的1.57 倍。

关键词:希瓦氏菌，微生物燃料电池，工程菌，产电

Electricity generation performance of a high-yield MFC called Shewanalla

Abstract

Global energy shortage and environmental pollution having been increasing, the development of new environmental- friendly treatment process comes to be an valuable field of environmental engineering direction. Microbial fuel cell (MFC) can be simultaneously achieved pollution control, high energy conversion efficiency, electricity generation at a room temperature, no exhaust emission, no need to add extra energy in the MFC and other valuable multiple effects, has broad application prospects.
In this paper, the electricity generation of the transformed bacterial strain in MFC reactor, as an experimental model, compares the multiple of transformed strains with that of normal bacterial strain. First of all, we can activate the three strains, after 12 hours of activation time, then after 12 hours of cultivating to expand, and replacing medium with M9 buffer to observe the producing electricity situation of MFC among the period, the growth of anodic Shewanella situation, polarization curves around the anode compartment and the producing electricity optimizations of transformed Shewanella. The results showed that the level of transformed Shewanella producing electricity in MFC cathode, growth of Shewanella anode, the anode chamber polarization curves and the producing electricity situation of transformed Shewanella has been greatly improved. Finally, in a double room MFC the maximum output voltage of the transformed bacteria Shewanalla-6PGDH in the cycle of is 516.2 mv, which is 1.90 times of Shewanalla. The transformed bacteria Shewanalla-G6PDH obtain the maximum output voltage of 448.4 mv, which is 1.17 times of the Shewanalla. The maximum output power density of the transformed bacteria Shewanalla-6PGDH is 117.04 mW / m² in the period, which is 2.49 times of Shewanalla. The transformed bacteria Shewanalla-G6PDH obtain the maximum output voltage of 76.97 mv, which is 1.57 times of Shewanalla
Key words: Shewanalla, microbial fuel cell (MFC), engineered strain, the electricity generation

目 录

高产电菌Shewanalla工程菌的优化 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1产电微生物 1

1.2 微生物燃料电池 1

1.2.1 微生物燃料电池的特点 2

1.2.2 微生物燃料电池的工作原理 2

1.3 高产电菌希瓦氏微生物燃料电池 3

1.3.1 Shewanella 的生长基质 3

1.3.2 Shewanella 的生长条件 4

1.3.3 Shewanella 燃料电池的组成 4

1.4微生物燃料电池的应用前景 6

第二章 实验材料与方法 7

2.1实验材料 7

2.1.1主要试剂及仪器 7

2.1.2实验装置 8

2.2实验方法 8

2.2.1 MFC的接种及启动运行 8

2.2.2 MFC运行条件 9

2.2.3 测定指标及方法 9

2.2.4 实验材料处理方法 10

2.2.5实验内容 10

第三章 结果与讨论 12

3.1 以10mM乳酸作为底物的运行情况 12

3.1.1 电压图 12

3.1.2 输出功率图 12

3.1.3 极化曲线 13

3.2 以10mM葡萄糖作为底物的运行情况 14

3.2.1 电压图 14

3.2.2 输出功率图 15

3.2.3 极化曲线 16

3.3 以18mM葡萄糖为底物的第一周期运行情况 16

3.3.1 电压图 16

3.3.2 输出功率图 17

3.3.3 极化曲线 18

3.4 以18mM葡萄糖为底物的第二周期运行情况 18

3.4.1 电压图 18

3.4.2 输出功率图 19

3.4.3 极化曲线 20

3.5 比较各周期的运行情况 21

第四章 结论与展望 23

4.1结论 23

4.2 展望 23

参考文献 23

第一章 文献综述

1.1产电微生物

环境污染和能源紧缺早已倍受注目。有部分研究提及，某些微生物可在无氧条件中用一些有机物包括重金属进行呼吸作用，同时释放电能，此类微生物被称为产电菌，而以这类产电菌发电的装置即微生物燃料电池。环境污染和能源紧缺早已倍受注目。有部分研究提及，某些微生物可在无氧条件中用一些有机物包括重金属进行呼吸作用，同时释放电能，此类微生物被称为产电菌，而以这类产电菌发电的装置即微生物燃料电池。微生物燃料电池^［1］是微生物研究的热点问题，其中比较重要的问题之一是阐明产电微生物电子传递的分子机制，并且了解产电过程中关键的基因及通路，以此利用生物工程技术对产电微生物进行定向精确的改造，提高其产电效率。Shewanella隶属革兰氏阴性菌。当以氧气作为最终电子受体时能够产生最大的能量输出，在缺氧条件下，能够还原包括Fe( Ⅲ)和 Mn( Ⅳ)等^［2］，并释放电能。产电菌在细胞中氧化可利用的有机物，产电的电子传到膜外后，一般经过两种电子传递机制将其传到微生物燃料电池的阳极上:电子穿梭机制和生物膜机制^［3］。电子穿梭机制的原理是菌株通过使用额外或本身分泌的电子穿梭体，使电子传到阳极表面。而因为有细胞壁的存在，许多菌株本身不能把电子传至阳极表面，而是需利用可溶性电子穿梭体成为电子传递的介体。同时，进行电子传递时某些产电微生物也可以利用本身有的电子穿梭体。与电子穿梭机制不同的是生物膜机制利用菌株在阳极表面聚集成生物膜，利用直接接触或纳米导线，将电子传至阳极，而并不需要介体。纳米导线能够将离阳极较远的微生物传递电子给阳极，并且还促进电子传给其他微生物。在Shewanella onedensis 的产电模型中，Mtr 通路( MtrA—MtrB—MtrC) 是非常重要的直接电子传递路径^［4］。它是由细胞色素蛋白形成的胞外的电子传递链:起初，内膜的 CymA 获得有机物氧化产生电子，将其传至周质的 MtrA。而且MtrC 和 OmcA被运输到外膜表面，可以形成亲和力高的一种细胞色素复合物。此外，外膜蛋白 MtrB 被认为是将电子传到 MtrC.OmcA 复合物的介体。

1.2 微生物燃料电池

微生物燃料电池（MFC）是以酶或微生物或者用改造的酶催化的微生物为阳极催化剂，利用代谢作用将有机营养物氧化产电的装置。它隶属生物质能利用的生物化学转化技术，将质能转化为电能。由于它在能量转化过程中减少了燃烧步骤，因而可大幅度提高能量转化效率。将微生物燃料电池（MFC）应用到废水处理中，处理有机废水，同时获得电能，可有效缓解当前能源危机和解决环境问题。

1.2.1 微生物燃料电池的特点

微生物燃料电池（MFC）与常规电池比，MFC以培养的菌株取代高价的催化剂，于是拥有更多的优点：1）常温常压下运行，不需要改变温度和压力值，反应易于操作；2）催化剂有毒，MFC却无需再提纯燃料；3）原料来源十分广泛而且廉价，大多数可降解物质都能够当做微生物燃料电池的原料；4）MFC不需再额外输入其他能量，在single-chamber MFC中仅通风便可补充阴极；5）不需废气处理，产生的废弃之一是二氧化碳，不可再利用；6）高效利用能量：MFC是未来热电联用系统的重要组成部分，可大大提高能量利用率；7）生物相容性：可作为人造器官的电源。

1.2.2 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池一般是以阳极、阴极和质子交换膜组成，在微生物的催化下通过分解代谢氧化阳极室内底物，产生电子将其传至阳极，再利用连接两极的导线传至阳极；质子以质子膜或直接到达阴极，通过阴极催化剂与电子和氧气反应生成水。

微生物燃料电池（MFC）以微生物、酶为反应主体，以代谢产物为活性物质，引起电位偏移，从而获得电能，也就是说将化学能直接变为电能。以微生物燃料电池（MFC）为例（如图1-1），其工作原理^[3,4]是:阳极的菌株氧化有机物，释放电子和质子，电子以电子传递介质传至电极表面，电子从导线传至阴极，释放质子传到阴极；在阴极中电子、质子与氧气反应生成水。伴随着阳极区有机物的氧化和阴极反应的持续进行，获得持续的电流。以葡萄糖为例，其反应式如下:

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