微生物燃料电池阳极产电微生物和阴极受体特性及研究进展

介绍微生物燃料电池的基本工作原理。根据电子传递方式阳极产电微生物分为无需中间体微生物和需中间体微生物。对阴极进行不同反应所涉及的最终电子受体进行了概述,并展望了微生物燃料电池的应用前景。     

产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展

新型产电微生物(Electricigens)的发现,使得微生物燃料电池概念的内涵发生了根本性的变化,展现了广阔的应用前景。这种微生物能够以电极作为唯一电子受体,把氧化有机物获得的电子通过电子传递链传递到电极产生电流,同时微生物从中获得能量而生长。这种代谢被认为是一种新型微生物呼吸方式。以这种新型微生物呼吸方式为基础的微生物燃料电池可以同时进行废水处理和生物发电,有望可以把废水处理发展成一个有利可图的产业,是MFC最有发展前景的方向。     

“共轭聚合物-产电菌”复合生物电极构建及其在微生物燃料电池中的应用

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)作为一种生物电化学装置,在可再生能源生产和废水处理方面的巨大潜力已引起广泛关注。然而MFC面临输出功率低、欧姆内阻高以及启动时间长等问题,极大限制了其在实际工程中的应用。MFC中阳极是微生物附着的载体,对电子的产生及传递起着关键作用,开发优质的生物电极已发展成为改善MFC性能的有效途径。共轭聚合物具有成本低、电导率高、化学稳定性及生物相容性好等优点,利用共轭聚合物修饰生物电极结构,可以实现大比表面积、缩短电荷转移路径,从而实现高效生物电化学性能。同时,纳米级共轭聚合物包覆细菌,可以使细菌产生的电子有效地传递到电极。文中综述了最近报道的共轭聚合物在MFC中的应用,重点介绍了共轭聚合物修饰的MFC阳极,系统分析了共轭聚合物的优点及局限性,以及这些高效复合生物电极如何解决MFC应用中存在的低输出功率、高欧姆内阻及长启动时间等问题。     

太阳能电池协同微生物燃料电池产电及对底泥的修复影响

装置以河道黑臭底泥为底物, 改性后的碳毡为电极, 通过外接不同额定电压的太阳能电池板, 构建了一种新型的SC-MFC (solar cell-microbial fuel cell) 体系, 太阳能电池的引入对普通MFC 产电性能及底泥污染物去除效率产生了的影响。通过一个周期的运行, 得到如下结论: 在太阳能电池表面辐照强度53 mW·cm^–2 的条件下, SC-MFC 系统的最大输出电压和输出功率密度与普通的MFC 相比均有明显的提高。对于底泥污染物的去除, SC-MFC 系统随着串联太阳能电池额定电压的增大, 去除效率呈现出先升高后降低的趋势。在外接0.5 V、1 V、2 V 太阳能电池时, 底泥对污染物修复效果较好, 并且底泥中有机质、总磷、氨氮、硝态氮的最大去除率为20.88%、32.39%、48.41%、62.66%, 它们分别在串联1 V、2 V、2 V、0.5 V 太阳能电池板时达到。     

产电微生物的筛选方法研究进展

产电微生物是一类具有胞外电子转移能力的微生物,能够将有机物中储存的化学能转化为电能,其作为微生物电催化系统的催化剂,已经成为环境和能源领域的研究热点。但目前所发现的产电菌,产电机制有所差异,产电能力参差不齐,菌株的性能从根本上影响了其产电能力,其产电能力不足成为限制微生物燃料电池在工业上广泛应用的主要瓶颈。目前,通过理性设计或定向进化等改造方法,难以实现产电微生物在复杂多样环境中的广泛应用。通过定向筛选策略,建立一套快速、高效的筛选鉴定技术,挖掘环境中性能优异的产电微生物,是促进其广泛应用的有效途径。文中基于产电微生物的种类,总结回顾了现有的产电微生物的筛选鉴定方法,并对其研究前景进行了展望。     

微生物燃料电池中假单胞菌F026的产电性能研究

基于微生物燃料电池的反应装置,从污水处理厂曝气池的污泥中通过富集,筛选和基于16S rRNA基因序列的系统发育分析等手段驯化出1株高效产电假单胞菌F026。以F026为阳极产电菌制作微生物燃料电池,考察了底物种类、温度和p H值等因素对微生物燃料电池产电性能的影响。结果表明,F026最适合在以可溶性淀粉为底物,p H为中性偏碱性,温度在30~35℃的环境下生长。在此条件下,微生物燃料电池的最高电压达到500 m V,体积功率密度达到2 W/m3。     

强化产电微生物与电极间电子传递速率的研究进展

产电微生物是微生物燃料电池、电解池和电合成等微生物电化学技术(Microbial electrochemical technologies,METs)的研究基础.产电微生物与电极界面间的胞外电子传递(Extracellular electron transfer,EET)效率低以及生物被膜形成能力弱限制了METs在有机...     

产电菌群及电子受体对微生物燃料电池性能的影响

采用2种类型的微生物燃料电池--常规微生物燃料电池(S-MFCs,以生活污水作为产电菌群接种源、以硝酸盐作为电子受体）和改进后的微生物燃料电池（A-MFCs,以厌氧发酵液作为产电菌群接种源、以铁氰化物作为电子受体）,分析了产电菌群和电子受体的改进对微生物燃料电池产电性能的影响.结果表明：产电菌群和电子受体对MFCs驯化周期和运行周期具有显著影响,使驯化周期由S-MFCs的500 h缩短到A-MFCs的430 h,运行周期由S-MFCs的100 h增加到A-MFCs的350 h;改进后的微生物燃料电池使COD去除率提升了25%,使电压输出提高了约300%.选择合适的产电菌菌种和电子受体标准电极电势是微生物燃料电池性能提升的基础.     

微生物燃料电池处理含硫废水研究进展

目前含硫废水污染很大,微生物燃料电池具有高效环境友好的特点成为研究热点。本文简要概述微生物燃料电池结构和发展历史,利用微生物燃料电池技术处理含硫废水的研究进展,最后分析了目前研究发展趋势和展望。     

关于微生物燃料电池底物的研究进展

近年来,微生物燃料电池已引起了广泛关注,它将低能量废水和木质纤维素生物质等有机废物转化为电能。在将来,微生物电能将成为一种重要的生物能源,因为微生物燃料电池提供了一种复合有机物和可再生生物能源中提取电能的可行性。人们研究了许多物质,以考察其是否能作为微生物电能转化的底物。这些物质包括人工的和天然废物,以及木质纤维素生物质。尽管现在微生物燃料电池提供的电流和功率较低,但是随着技术的发展和对微生物燃料电池系统的深入了解,微生物燃料电池转化的电流和电力将极大增加,从而向世人提供了一种可以将纤维素生物质和废水直接转化为有用能源的有效方法。本文介绍了迄今为止在微生物燃料电池中用到的各种反应底物,并对它们的应用效率和存在的不足进行了分析。     

产电微生物基因调控网络的构建和特异性通路分析

研究产电微生物胞外电子传递过程和机制,发现与产电效率相关的关键基因、通路和代谢物,是微生物燃料电池研究中的关键技术。为了发现在胞外电子传递过程中起到关键作用的基因以及通路,首先利用比较基因组学的方法,以模式微生物大肠杆菌和同属希瓦氏菌的其他菌株为参考,构建了Shewanella.onedensis MR-1的全基因组基因转录调控网络,大大扩展了目前已知的基因调控关系。然后以此网络为基础,结合基于蛋白质相互作用分析得到的胞外电子传递通路,构建了与胞外电子传递直接传递密切相关的细胞色素C编码基因及其相关调控基因构成的子网络,结合全基因组基因表达数据,研究了特异性条件下胞外电子传递的可能通路和基因调控过程。     

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统的研究进展

人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)是一种将人工湿地技术(CW)和微生物燃料电池技术(MFC)结合在一起的新型污水处理系统,其产电机理是产电微生物在底层湿地(阳极)的厌氧条件下生成电子,通过外电路传递到表面湿地(阴极)完成氧化还原反应。但是,近几年来,关于CW-MFC研究的文章较少且研究深度较浅。综述了电极材料、水力条件、湿地植物及微生物等条件对CW-MFC污水处理能力和产电能力的影响。在电极材料方面,选用导电性、吸附性及有效面积大的材料作为电极可有效提高CW-MFC产电与去污能力;在水利条件方面,在HRT为2-3 d的条件下,应选用升流式或升流-降流式的入水方式;湿地植物方面,种植湿地植物的CW-MFC在去污和产电能力上都要优于未种植植物的CW-MFC;微生物方面,阴极与阳极的微生物群落结构存在明显的差异,但存在的产电菌的种类却十分相似。CW-MFC中存在的常见产电微生物主要包括地杆菌属(Geobacter)、脱硫叶菌属(Desulfobulbus)、假单胞菌属(Pseudomona)和脱硫弧菌属(Desulfovibrio)等。最后对CW-MFC的研究方向进行了分析,以期为CW-MFC的实际应用提供理论依据。     

微生物燃料电池利用乳酸产电性能与微生物群落分布特征

【目的】为探讨以乳酸为基质的微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)产电性能以及微生物群落在阳极膜、悬浮液、阳极沉淀污泥中的分布特征,【方法】试验建立了双室MFC,以乳酸为阳极主要碳源,研究了反应器的启动过程及产电效能,同时以电镜和PCR-变性梯度凝胶电泳(Denaturing gradient gelelectrophoresis,DGGE)技术解析了微生物群落的空间分布特征。【结果】结果表明,反应器启动第7天时外电压达到0.56 V,当外阻为80Ω时,电流密度为415 mA/m2,MFC的功率密度达到最大值82 mW/m2。电镜观察发现大量杆菌附着在阳极表面,结合较为紧密;DGGE图谱显示阳极膜表面微生物与种泥最为相似,与阳极悬浮液、底部沉淀污泥中的主要菌群一致,条带序列与睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)和布氏弓形菌(Arcobacter butzleri)等最为相似。【结论】本研究表明以乳酸为基质MFC可产生较高的功率密度,阳极附着的优势菌与接种污泥来源密切相关。     

一株产电菌Nitratireductor sp. WJ5-4的筛选及产电分析

【目的】从生物垃圾燃料电池阳极淋洗液中分离一株产电菌WJ5-4,研究其产电特性。【方法】根据菌株的形态、生理生化性质及16S r RNA基因测序分析确定其种属,以该菌株为产电菌,以生物垃圾为底物,构建微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),研究在不同接种浓度和底物固含量条件下菌株的产电性能。【结果】菌株WJ5-4被初步鉴定属于Nitratireductor属,当接种量200 m L时可获得最大功率密度135.16 m W/m2、稳定电压370 m V和总有机碳(Total organic carbon,TOC)降解率41.46%。当底物固含量为23%时,可获得最大功率密度163.69 m W/m2、稳定电压434 m V和TOC降解率46.29%。【结论】WJ5-4菌能够利用较高固含量的生物垃圾产电,产电周期较长,为下一步微生物燃料电池处理生物垃圾提供科学依据。     

光合细菌在微生物燃料电池中的应用研究进展

微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)降解污染物的同时产生电能,受到广泛关注。光合细菌在MFCs领域的应用实现了污水处理、CO2捕捉、光电转换等多重功能,并显示出了良好的产电特性。本文根据光合细菌在MFCs中所起作用的不同对其产电机理进行评述,并在此基础上分析了光照对光合细菌型MFCs产电性能的影响;针对当前研究的不足与面临的问题,提出了今后光合细菌在MFCs领域的应用前景与发展方向。     

微生物燃料电池中脱色希瓦氏菌S12的产电特性研究

为了确定脱色希瓦氏菌S12的电化学活性, 采用循环伏安法(cyclic voltammograms, CV)对厌氧培养的菌株S12进行曲线扫描, 所得曲线表明S12具有一定的电化学活性, 可以用来进行产电实验。研究了不同电子供体和供体浓度对菌株S12产电的影响, 结果表明, 以浓度为10 mmol/L 的不同有机酸(甲酸钠、乳酸钠和丙酮酸钠)分别作为电子供体时, 乳酸钠产电量最大, 其最大功率密度Pmax为21.93 mW/m2, 增加乳酸钠的浓度, 菌株S12的产电量也相应增加, 当乳酸钠的浓度为20 mmol/L时, 所产生的最大功率密度达55.72 mW/m2。     

微生物燃料电池中脱色希瓦氏菌S12的产电特性研究

为了确定脱色希瓦氏菌S12的电化学活性,采用循环伏安法(cyclic voltammograms, CV)对厌氧培养的菌株S12进行曲线扫描,所得曲线表明S12具有一定的电化学活性,可以用来进行产电实验.研究了不同电子供体和供体浓度对菌株S12产电的影响,结果表明,以浓度为10mmol/L的不同有机酸(甲酸钠、乳酸钠和丙酮酸钠)分别作为电子供体时,乳酸钠产电量最大,其最大功率密度Pmax为21.93mW/m2增加乳酸钠的浓度,菌株S12的产电量也相应增加,当乳酸钠的浓度为20mmol/L时,所产生的最大功率密度达55.72 mW/m2.     

微生物燃料电池发展态势分析

随着世界经济的高速发展和人口的不断增长,能源短缺和环境污染问题日益成为制约发展的瓶颈。微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)能将污染物中蕴含的化学能直接转化为电能,实现同步污水处理和电能回收,是一种极具前景的可持续污水处理技术。同时,MFC在污泥处理、生物修复、环境监测、海水淡化等方面也展示了诱人的前景。基于科睿唯安Web of Science数据库和德温特专利检索分析平台(Derwent Innovation, DI),对MFC领域1990~2018年的论文和专利数据进行统计分析,得出全球MFC领域的发展趋势、国际分布、研发热点和技术格局。在此基础上,对未来MFC领域的发展做出了展望,对中国MFC产业化发展提出了思考和建议。