[发明专利]一种微生物燃料电池阳极生物膜功能调控方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种微生物燃料电池阳极生物膜功能调控方法，属于环境保护与资源综合-水污染防治领域。

发明背景

近年来，随着全球能源危机的发展，燃料电池技术的进步，利用电化学活性微生物(产电微生物)进行污染治理及能源回收的研究日益引起国内外研究者的关注。微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是当前利用电化学活性微生物产电的主要系统。但国内外针对微生物燃料电池的研究多采用葡萄糖、乙酸钠、乙醇、淀粉、养殖废水等含易降解有机物的模拟或实际废水为燃料(Rabaey et al.，2003；Liu et al.，2005；Oh et al.，2005；Min et al.，2005；Fenget al.，2008；Ahn et al.，2010)。近年来，有部分学者研究发现含呋喃、苯酚、喹啉、吡啶、石油类污染物的废水也可被电化学活性微生物降解产电(Catal et al.，2008；Morris et al.，2009；Luo et al.，2009；Zhang et al.，2009)。该发现拓展了微生物燃料电池可利用的废水类型，同时也为难降解有机废水的治理与资源化提供了新思路。

利用难降解有机废水产电的关键是在微生物燃料电池的阳极获得能够将难降解有机物分解并高效产电的微生物。一般研究多采用以易降解有机物和难降解有机物为混合燃料对微生物燃料电池的阳极微生物进行逐步培养和驯化，这种方法需要的时间长，不确定性强。如张翠萍等(2009)研究微生物燃料电池对喹啉的降解及产电特性，当喹啉初始浓度为500mg/l，葡萄糖与喹啉浓度之比为1∶1、3∶5、1∶5时，微生物燃料电池的最大功率密度分别为173mW·m^-2、122mW·m^-2和60mW·m^-2，葡萄糖浓度对喹啉的降解速率有较大影响。目前，以难降解有机物为主要或单一燃料产电的微生物燃料电池效率通常都比较低。如Luo等人(2009)考察了微生物燃料电池利用含酚废水的产电情况，发现苯酚为单一燃料系统产电效率要比葡萄糖作为辅助燃料时低；苯酚(1000mg/l)为唯一碳源，铁氰化钾阴极微生物燃料电池最大输出电压为387～540mV；当500mg/l葡萄糖与1000mg/l苯酚共基质时，最大输出电压635mV，功率密度为342.0mW/m²(阴极)。有谢难降解有机物很难被微生物利用来产电。Catal等(2008)研究了呋喃衍生物和酚类化合物对微生物燃料电池产电的影响，发现它们不能直接用于产电，但其中一些物质在一定浓度范围内时，并不影响葡萄糖产电。总体来说，利用难降解有机物产电的研究还处于初期阶段，总体产电效率还较低。

基因强化是一种从基因水平对微生物群落结构与功能进行调控的方法。它是通过向系统引入编码特殊降解功能的可移动基因片断(Mobile genetic elements，MGEs)，使基因片断在微生物细胞间发生水平转移和扩散，从而使接受MGEs的微生物获得某种特殊功能(Top et al.，2002)。这种方法具有针对性强、见效快、操作简单等特点。以往研究多将这种方法用于污染土壤及废水处理系统微生物的群落调控及难降解有机物的强化去除(Top et al.，1998，2002；Bathe et al.，2004；全向春等，2009 a，b)。能否利用基因强化对电化学活性微生物进行功能调控，使其利用难降解有机污染物高效产电，相关研究尚未见文献报导。因此，本发明提出了利用基因强化对电化学活性微生物群落结构与功能调控的新思路，将携带可移动基因片断(编码某种难降解有机物降解功能)的基因供体菌与电化学活性微生物杂交，提高电化学活性微生物利用难降解有机物产电能力，构建以难降解有机物为燃料的高效产电的微生物燃料电池系统。该发明对于微生物燃料电池技术在难降解有机废水处理及资源化方面具有实践意义。

发明内容

阳极生物膜的功能及活性是微生物燃料电池利用难降解有机物为燃料高效运行及产电的关键。以往利用难降解有机物产电的微生物燃料电池多通过驯化培养的方法进行阳极产电菌的富集与挂膜，这种方法需要的周期比较长，效果的不确定性较强。本发明的目的在于提出一种以难降解有机物为燃料的微生物燃料电池阳极生物膜功能调控方法。它是利用基因强化对微生物燃料电池阳极生物膜功能进行调控，具有时间短、效能高等优点，对于推动微生物燃料电池在难降解有机物资源化方面的应用具有重要的实践意义。