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1、 生物能源技术微生物燃料电池与外部电阻的关系Krishna P. Katuri ；Keith Scott；Ian M. Head；Cristian Picioreanu；Tom P. Curtis摘要利用葡萄糖为养料实验的废水和生活污水的微生物燃料电池研究外部负载对阳极生物膜微生物群落的组合物的影响研究。在不同的外部负载下操作的每个MFC的阳极，变性梯度凝胶电泳（DGGE）的聚合酶链反应（PCR）和扩增16S rRNA基因片段显示阳极细菌有着了明显的差异。这些结果暗示着在一个MFC产电细菌富集在高电流密度下，即外部负载低，并能维持较好的电流和出水水质。在不同外部电阻下的不同的细菌群落的形成对电
2、池电力性能没有太大的影响，正如预期的那样，目前这一代，外部负载直接影响COD去除率和生物产量。MFC操作条件下的外部负载，MFC的生物产量明显小于在传统的厌氧消化（即控制）。1.介绍微生物燃料电池（MFC）技术是一个新兴的研究技术，其中来自从微生物代谢的电子可分解有机物被转换为电力。目前应用的技术障碍，包括使用昂贵的组件（例如，镀铂阴极和质子交换膜）和细菌中的电子转移到阳极中低功率密度差造成的。近年来发电使用作为一个潜在来源的更新，微生物燃料电池备受关注能能源。此外除了发电，也可以处理废水。然而，为了使这种技术成为一种可行的能源电源或废水处理方法，将MFC的性能需要做进一步改善是必要的。大多数
3、研究都集中在不同的MFC反应器结构，如何操作参数和不同类型的电极影响下的功率。许多潜在增长率的限制因素MFC的性能，质子通过质子交换膜的运输（PEM），在阴极的氧的供应量减少，这一研究现在已被记录。与一个经典的燃料电池相比，MFC电催化需要透过细菌的新陈代谢。外部电阻的效果对MFC行为已得到解决，一些研究主要集中在外部电阻之间的关系，电流和库仑收率。与MFC运行下的COD去除率在打开电路系统利用一些外部电阻。曼尼古希等开发了一种程序，用于选择最佳的外部最大承受功率电阻。在他们的研究中，他们考虑下产生不同的外部的阳极电位电阻来确定条件下的最大可持续功率。 aelterman等人研究了不同的三维电
4、极发电效果，产电微生物燃料电池的化学和微生物群落结构在相对于所施加的负荷率和外部电阻。然而，外部电阻对COD的去除与微生物群落组成和变化对生物生长的影响的效果的都没有记录。最近里昂等人报道的以喂醋酸作为燃料的外部电阻上的MFC的性能效果。他们发现，外部电阻的差异与变化影响了在细菌群落结构形成在阳极上。然而，类似的电力生产社会结构。微生物燃料电池的流场数值模拟模型预测，提高EXTER信号的电阻的查询结果：（i）中较高的生物量的生长及（ii）低级NG产生的电流在阳极。它也被认为增加了电气电阻距离有利于产甲烷微生物的生长，而不是产电微生物的生长。在这项研究中在一批处理模式下，我们已经进行了一系列的实
5、验评估审视了这些的模型的预测结果。因此，我们评估的影响ENCE的外部电阻对MFC性能，阳极微生物群落的组成，特别是在初始阶段的生物膜的发展有着现实意义，如污水处理COD去除率和生物量。然后这些数据相比，与传统的厌氧消化和MFC的操作在开路电压（OCV）下等效于有一个无限的外部空间。2.1 养料 包括最小盐介质以葡萄糖作为电子供体的MFC养料的解决方案，已经通过制备了溶解500 mg /L葡萄糖和无机盐 NH4N (NH4Cl) 40 mg/L;Mg (MgCl2) 10 mg/L; Cu (CuSO4) 0.1 mg/L; Ca (CaCl2) 5 mg/L;Mn (MnSO4) 0.1 g/
6、L and Zn (ZnCl2) 0.1 g/L在950毫升的磷酸盐缓冲器中(0.25M，pH值7.0)。在实验测量之前，添加50毫升的培养液生物量，其次是有力的用氮气清除30分钟，速度为 40 mL/min，来创建厌氧条件和统一的微生物分布。燃料和培养液有一个550 mg / L的化学需氧量(COD)的组合和56 mg / L的生物量浓度的溶液作为挥发的悬浮物(VSS)和7.9 x l08细菌的细胞。 在一些实验研究中，利用生活污水稀释的啤酒厂废水(1:100按体积)被用作阳极室(阳极液)的养分。国内废水是从主澄清器溢流在当地市政污水处理厂(诺森伯兰郡的水，纽卡斯尔在泰恩、英国)收集来的，啤
7、酒厂废水是由联盟酿酒厂(纽卡斯尔、英国)来的。对于MFC测试，酿酒厂废水被添加到国内废水紧随其后有力的用55 mL/min氮气吹了15分钟，来创建缺氧条件和一个统一的微生物分布。用这种方法制备的养料有一个可溶性化学需氧量(COD)的700 mg/L。2.2 培养液的制备从主澄清器溢流在在当地市政污水处理厂(诺森伯兰郡的水、纽卡斯尔、英国)收集来的污水废水被使用为一个培养液。生物质是由离心(10000 g，10分钟)从污水废水收集的再利用无菌盐溶液(0.9%氯化钠溶液)冲洗两次去除粘附在微生物细胞的有机化合物。生物质然后再次悬浮在50毫升的无菌磷酸盐缓冲器中(0.25M，pH值7.0)然后混在阳
8、极液养分中(培养液/阳极液比率，1:20)来初始化实验。2.3 MFC配置和操作实验在燃料电池的两腔中进行，(150毫升容量，钱伯斯由硼硅酸盐玻璃)。一个6平方厘米的全氟磺酸117质子交换膜(PEM)(标准差、英国)，被用来分离阳极和阴极室。顶部的阳极室配备样本液体和气体用一个电线连接到悬浮在阳极电解液中的阳极。阳极由一个由沸腾的0.1 H2S04、1h煮消毒后，通过蒸馏水煮(30分钟)洗干净的石墨板(投影面积12平方厘米)。一个20平方厘米(投影面积)钛网和0.30毫克的Pt/cm2用作阴极。电导通的电极是钛丝。大约125毫升的养料的解决方案是添加到阳极室其次是用自由氮气清洁15分钟来维持一
9、个厌氧环境的反应堆。这个阴极室包含125毫升的氧饱和钾磷酸盐，还包含100毫米钾铁氰化物的缓冲器(0.25M，pH值7.0)复制MFC电池通过(0.1 kQ，1 kQ，10kQ、25kQ、50 kQ )在阳极和阴极之间的不同外部电阻被操作。其他的电池在开路条件被下运作，同样建构的MFC电池作为生物反应器除了阳极和阴极没有连接到一个电路。传统的厌氧生物膜反应器(封闭的阳极瓶子)被用作控制比较有机去除效率和微生物群落组成的MFC电池。所有反应堆在每日无氧被监控的7天后样品(3毫升)、通过0.2微米滤膜过滤，PVDF(聚偏二氟乙烯，PVDF、英国)以及分析后中被一连串的撤回。2.4 分析2.4.1
10、电化学测量 在不同外部阻力下的燃料电池电压的变化每小时通过使用连接到个人电脑数据采集系统(ADC16，皮科科技有限公司英国) 通过微高分辨率模拟电缆记录下来。能源(mW.h)通过集成功率随时间变化来计算。阳极和阴极使用一个Ag/AgCl放置在阴极电解液中的参比电极的解决方案来监控。细胞偏振通过每个电池不同的外部电阻和测量电压而得到。外部电阻减少然后再测电压后保持稳定。从相应的电压值，电流密度和功率密度确定后使用欧姆定律。这个电池的库伦效率(%)根据洛根计算。2.4.2 化学测量 每批实验结束后，散装液体和生物膜的总生物量浓度通过使用volatile悬浮物(VSS)方法(脉冲幅度分析)通过均匀混
11、合样本来估计。附着在阳极的生物膜提取到一个单独的容器和一个250 uL的生物量悬浮物被保存为DCCE分析。剩下的提取的阳极生物质回到了相应的反应器阳极的方案来决定总细菌生物质量。2.4.3 微生物测量2.4.3.1 细菌样本。 在试验结束时对微生物群落分析，附着生物膜的阳极被转移到无菌容器中，含有5毫升的消毒盐水磷酸盐缓冲器(3.2 mM Na2HPO4, 0.5 mM KH2PO4, 1.3 mM KCl,135 mM NaCl, pH 7.4)和玻璃珠子。整个阳极生物膜是通过超声波震动处理悬浮在缓冲器中(分30s相隔2分钟的五个时期冷却是为了扰乱生物膜结构)。一个(250 UL)的生物量悬
12、浮的样品通过添加一个等体积的绝对的乙醇来保存(示例/乙醇比，50:50)然后存储在-20 度来进行微生物群落分析。剩下的阳极生物量悬浮返回到相应的反应堆来确定总细菌生物质。样品的培养液也用乙醇处理(1:1体积比)随后进行微生物群落分析。2.4.3.2 总细胞计数。 细菌细胞(在培养液，阳极电解液和阳极膜)被固定在一个1:1乙醇体积比上和沾上SYBR黄金(20 x稀释)放在室温30分钟。样本通过0.2微米孔隙大小聚碳酸酯过滤器(25毫米直径;合演科学公司，雄鹿，英国)并施加一个轻微的真空被过滤。过滤后，过滤器被放在在油中然后立即通过数字化的显微镜使用一个奥林巴斯BX40F4显微镜(奥林匹斯山，日
13、本)观察。幻灯片使用一个100 x油浸透镜( 100 x镜头)观察，在一个蓝色的滤光器(世行)在黑暗条件下。平均每个幻灯片上的细菌丰度从细胞计数在20的视野中计算。2.4.3.3 分析阳极生物膜的细菌群落组成。2.4.3.3.1 165 rRNA基因的DNA提取和PCR扩增 所有的DNA使用一个快速的DNA旋转工具包提取自250 ul乙醇固定样本。16s rRNA基因片段使用底漆1和3从所有提取的中被放大，正向底漆(5 CCC CCG CCC GCG CCC CCC CCG GCC GGG CCA CCG CCC GCC TAC CCC ACG CAC 3)和反向底漆(5 - ATT ACC
14、GCG GCT GCT GG-3)。聚合酶链反应(PCR)在总反应50UL的体积中扩增，47 UL的PCR大型混合蓝，即PCR反应混合加载缓冲区，提供了通过反向底漆3和1UL 的DNA的提取。PCR扩增是在执行自动化的热循环，最初变性(950，3分钟)紧随其后，为第一轮放大，24周期的变性(95度1min)、退火工艺1分钟(起初65度每秒降低1度)和扩展(72度1 min)和一个最终扩展(72度10分钟)。 PCR产物通过电泳在1%(w / v)琼脂糖凝胶在1 x TAE缓冲区(40毫米三乙酸酯，1MM EDTA，pH值8.0，艾科学公司，新纽约，美国)持续50分钟在100 V条件下来分析以及
15、凝胶图像利用一个溴化氨染色后的凝胶文档系统被记录下来。2.4.3.3.2 变性梯度凝胶电泳(DCCE)。 MFC电池阳极膜在不同的外部电阻和开路下运行，同时被控制和培养液的资料通过DGCE分析得到。聚合酶连锁反应(PCR)扩增16 s rRNA基因片段(11 UL)在相同数量的变化与加载缓冲区二甲苯苯胺聚蔗糖运行在聚丙烯酰胺凝胶在1x TAE缓冲区包含一个化学梯度尿素和甲酰胺中被混合。电泳使用d基因系统产生表现。分离出来的DNA在30分钟内被SYBR染成绿色。染色凝胶被记录下来。2.4.3.3.3 DCCE剖面的数值计算和统计分析 扫描DGGE凝胶使用Bionumerics软件(版本3.5，应
16、用数学、美国)分析强度，为了修正变化的凝胶，标记运行在任何一边的样品。此外，索引的骰子相似性是用来评估内部和之间的相似性，在复制反应堆后被检查的相似度值正常使用一个安德森测试和箱考克斯分析之间(一款统计软件，PA)。骰子相似矩阵转换为一个系统使用未加权的方法使用Bionumerics聚类算法。3 结果与讨论3.1 当前一代 开始启动反应器后当前一代立即开始，MFC产生的不同的电流密度取决于应用外部电阻(图1)。随着时间的变化，减小外部电阻(即增加电子转移率）电流密度峰值降低。正如预期的那样，更高的电流密度符合更高的阳极潜力(表1)。这些观测结果可能是由于在不同外部电阻下阳极不同的电子转移率。微生物代谢活动的变化和动力学的差异。 库仑屈服计算为底物浓度和外部电阻的一个函数。在0.1
