[发明专利]产气肠杆菌在微生物发电方面的应用及其发电方法

说明书

技术领域

本发明属于环境与新能源技术领域，具体涉及产气肠杆菌在微生物发电方面的应用，以产气肠杆菌为阳极催化剂产生电能的发电方法。

背景技术

能源耗竭与有机废弃物处置是当今世界面临的两大难题。一方面，化石燃料耗竭与全球气候变暖问题的日益严峻，迫使世界各国高度重视能源问题，可再生新能源的研发势在必行。构建稳定多样的能源系统，已成为国家战略安全与可持续发展的重要组成部分。另一方面，如何处理数量日益庞大的有机废弃物，已成为严重的社会问题，有机废弃物资源或能源化利用的重要性也日益显现。

微生物燃料电池(Microbial Full Cell，MFC)是利用产电微生物作为阳极催化剂将有机物中的化学能转化为电能的装置。同常规燃料电池相比，MFC以微生物代替昂贵的化学催化剂，具有更多优点：1)操作条件温和。在常温、常压下运行；2)无需为防止催化剂中毒提纯燃料；3)环境友好；4)能量转化率高；5)生物相容性好；6)原料来源更广泛。理论上，所有可生物降解的有机物均可作为MFC的燃料，可生物降解的有机物包括有机废水、人畜粪便、厨余垃圾等等有机废弃物，MFC可在处置有机废物的同时产生清洁电力。

产电微生物作为MFC的阳极催化剂，氧化有机物并还原阳极(即向阳极传递电子)的速率是影响MFC输出功率密度的最重要因素。因此，产电微生物是MFC的核心。目前，已发现的产电微生物有十多株，主要集中在希瓦氏菌属(Shewanella)与地杆菌属(Geobacter)。但是作为MFC阳极催化剂，它们存在一定缺陷：1)属于严格厌氧菌，氧气的存在会使其失活或丧失产电活性，不利于菌株大规模培养与实际应用；2)多数菌株的燃料利用谱较窄，只能利用乙酸、乳酸等小分子量有机酸作为电子供体(即燃料)产电。当以碳水化合物或其它复杂有机物作为燃料时，需要首先利用发酵性细菌将其降解为简单有机酸，才能产电。

产气肠杆菌是自然界中广泛存在的兼性厌氧菌，公开号为CN101096645发明专利申请中公开了一株具有铁还原活性、兼性厌氧、电子供体利用谱较广的产气肠杆菌。经文献和专利检索，尚未发现关于产气肠杆菌具有产电活性的报道。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术存在的不足，提供产气肠杆菌在微生物发电方面的应用。

本发明的另一个目的是提供所述产气肠杆菌应用于微生物发电时的发电方法。

本发明的目的通过以下技术方案来予以实现：

提供一种产气肠杆菌作为微生物燃料电池的阳极催化剂在微生物发电方面的应用。

产气肠杆菌燃料利用谱较宽、兼性厌氧，其特征为：短杆状，尺寸范围为1.0～1.7×0.6～0.8μm，菌落呈白色或黄色，兼性厌氧，厌氧环境下能以阳极为电子受体，氧化柠檬酸、丙三醇、葡萄糖、蔗糖、淀粉等多种有机物。利用其作为阳极催化剂构建的微生物燃料电池，电子回收率高达42～83％。该菌株命名为Enterbacter aerogenesXM02，于2007年3月12日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，编号为：CGMCC 1969，同时已在公开号为CN101096645发明专利申请中公开。

本发明同时提供了所述产气肠杆菌在应用于微生物发电时的产电方法，具体包括以下步骤：

(1)构建微生物燃料电池；

(2)制备产气肠杆菌菌体作为微生物燃料电池接种物；

(3)制备含燃料的阳极液；

(4)将产气肠杆菌接种物和配制好的阳极液加入微生物燃料电池阳极室中，静置培养后进行产电检测。

步骤(2)所述制备产气肠杆菌菌体细胞是从保存产气肠杆菌XM02的斜面接种至常规LB液体培养基中，于30℃、200转/分条件下摇床活化菌体16小时，达到指数生长期后停止培养，菌液在4℃下8000转/分高速离心10分钟，用0.85％的无菌生理盐水洗涤2次，重新悬浮于0.85％的无菌生理盐水制备得到接种物。

所述常规LB液体培养基成分为：酵母浸膏5g，胰蛋白胨10g，NaCl 5g，水1000mL，pH 7.2～7.6。

所述产气肠杆菌的接种数量为每升阳极液10⁵～10⁷个菌体细胞，阳极液中可作为电子供体的燃料是柠檬酸、丙三醇、葡萄糖、蔗糖或淀粉等。

作为本实施例的优选方案，所述阳极液的配制包括以下步骤：

(一)按照以下配比配制A液：