王琨琦，劉小梅，王 敏，張培森

(長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種新技術(shù)，是唯一一種可以在不輸入外部/附加能量的情況下產(chǎn)生廢物能量的技術(shù)，將在解決全球環(huán)境問題中扮演重要角色[1]。它通過微生物的氧化還原作用產(chǎn)生的電子向陰極傳遞來產(chǎn)生電能，其工作過程是電池中充當(dāng)催化劑功能的產(chǎn)電菌在陽極室內(nèi)將有機(jī)物分解產(chǎn)生電子，然后由細(xì)胞膜連組分傳遞至陽極，并經(jīng)外電路傳遞到陰極，被陰極表面的電子受體還原[2]。在MFC中，產(chǎn)電微生物的選擇及其最適生長(zhǎng)環(huán)境的優(yōu)化在整個(gè)MFC系統(tǒng)中起著重要的作用[3]，直接影響MFC的產(chǎn)電性能。目前MFC中使用的產(chǎn)電菌有變形菌、希瓦氏菌MR-1、芽孢桿菌、大腸桿菌野生株K-12等等[4]，使用嗜熱厭氧菌株的幾乎未見報(bào)道。

本論文使用的CBS-ZT菌是從中國(guó)長(zhǎng)白山的地面溫泉分離出來的，其細(xì)胞為短直桿，無鞭毛，細(xì)胞壁為革蘭氏陽性新型的嗜熱厭氧菌，屬于熱解纖維素果汁桿菌屬。其適宜生長(zhǎng)條件為：40～90 ℃，pH5.6～8.6和NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0～1.0%(w/v)，其發(fā)酵的主要產(chǎn)物是乙酸鹽、乳酸鹽、H2和CO2[5]。

本論文首先研究了CBS-ZT菌在玻碳電極上的直接電化學(xué)反應(yīng)，明確指出其可以作為微生物燃料電池陽極產(chǎn)電菌，并且電子轉(zhuǎn)移機(jī)制屬于直接電子傳輸。以CBS-ZT菌為陽極，匹配鐵氰化鉀陰極構(gòu)建雙室微生物燃料電池，并成功啟動(dòng)?；谑葻釁捬魿BS-ZT菌作為陽極產(chǎn)電菌成功啟動(dòng)微生物燃料電池的工作目前鮮有報(bào)道，本研究豐富了微生物燃料電池的陽極產(chǎn)電菌的研究?jī)?nèi)容，為微生物燃料電池較高溫度啟動(dòng)提供了產(chǎn)電菌參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

CBS-ZT菌株來自于吉林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院酶工程實(shí)驗(yàn)室。碳?xì)?、碳桿購自阿拉丁試劑。10%的PTFE(聚四氟乙烯)、質(zhì)子交換膜、5%的Nafion溶液(5wt.%)購自美國(guó)Dupont公司。濃硫酸、氫氧化鈉、氯化銨、硫酸鈉、氯化鈣、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、鐵氰化鉀、硫酸亞鐵銨、抗壞血酸、酵母膏、乳酸鈉、磷酸氫二鈉、氯化鈉均為分析純，購自北京化學(xué)試劑廠。去離子水(自制)。長(zhǎng)風(fēng)水浴恒溫水箱(量程：0～100 ℃、精度：1 ℃)、雷磁pHS-25型數(shù)顯pH計(jì)、FA1004電子天平(上海天平儀器廠)、KQ5200E型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)、79-2型磁力加熱攪拌器。CHI602A電化學(xué)工作站(上海辰華儀器廠)、對(duì)電極為鉑絲電極，飽和甘汞為參比電極，玻碳(GC)電極為工作電極。

1.2 CBS-ZT菌的培養(yǎng)

CBS-ZT菌培養(yǎng)基的主要成分為：0.10 g/L CaCl2·2H2O、酵母膏、0.50 g/L K2HPO4、1.0 g/L NH4Cl、2.0 g/L MgSO4·7H2O、3.5 g/L乳酸鈉、0.10 g/L 抗壞血酸、0.50 g/L(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O、0.50 g/L Na2SO4。在35 ℃厭氧條件下，MFC陽極室內(nèi)于前述培養(yǎng)基上避光培養(yǎng)CBS-ZT菌。

1.3 CBS-ZT菌的雙室微生物燃料電池陰陽極的制備及組裝

在打磨過的長(zhǎng)度8.0 cm，直徑0.80 mm的石墨桿上穿入處理好的2.0 cm×2.0 cm、厚度1 cm的碳?xì)肿鳛殛庩杻呻姌O。將電極分別插入外徑6.0 cm，瓶體高12 cm，容積為300 mL側(cè)壁開孔的玻璃雙室中，開孔處用橡膠塞密封，將處理好的質(zhì)子交換膜固定在開孔處的兩塊法蘭中間，法蘭與玻璃瓶側(cè)管的連接處用PTFE密封，以分隔成陽極室和陰極室。將10 mL CBS-ZT菌液和含有100 mL培基液注入陽極室內(nèi)，并通氮?dú)?0 min除氧。將50 mmol/L鐵氰化鉀和100 mmol/L磷酸鹽緩沖溶液110 mL注入陰極室內(nèi)，用鋁箔包裹陰極室避光，構(gòu)成了一個(gè)雙室微生物燃料電池，如圖1所示，將該雙室電池放入除氧氣的密封罐子中，持續(xù)于磁力攪拌器上攪拌。該電池的工作原理：

圖1 雙室MFC組裝示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 CBS-ZT菌株的直接電化學(xué)

在200.00 μL(pH 7.12)PBS緩沖溶液中加入2.00 mLCBS-ZT菌株液，使用玻碳(GC)電極作為工作電極，在電位窗-0.60～+0.60范圍內(nèi)，在100 mV/s的掃速下做循環(huán)伏安測(cè)試。由循環(huán)伏安圖2所示：一對(duì)完整的氧化還原峰展現(xiàn)出來，陽極峰電位和陰極峰電位，分別位于-0.09 V和-0.34 V，分離峰電位(ΔEp)是0.25 V，計(jì)算出陽極峰電流與陰極峰電流之比的絕對(duì)值是0.49，標(biāo)準(zhǔn)電位(E°′)由陽極峰電位與陽極峰電位的算數(shù)平均值得出為-0.21 V，與文獻(xiàn)報(bào)道亞鐵血紅素的電位非常接近[6]，這表明：CBS-ZT菌的活性中心為亞鐵血紅素，CBS-ZT菌在GC電極上發(fā)生了直接準(zhǔn)可逆電化學(xué)反應(yīng)。在電位窗-0.60～+0.60范圍內(nèi)，分別改變掃速為10、20、40、60、80和100 mV/s，再做循環(huán)伏安測(cè)試(如圖3)，ΔEp分別為244、246、249、255、261和264 mV，表明ΔEp隨著掃速的增大而增大，同時(shí)氧化還原峰電流也明顯增加，氧化還原峰電流與掃呈線性關(guān)系，如圖4(擬合結(jié)果：Pa：Y=0.034x+0.32，R=0.99；Pc：Y=-0.043x-0.82，R=-0.97)所示，所以CBS-ZT菌在玻碳(GC)電極上發(fā)生的直接電化學(xué)反應(yīng)是個(gè)表面控制的過程。

圖2 -0.6～+0.6電位窗內(nèi)，CBS-ZT菌在100 mV·s-1掃速下的循環(huán)伏安曲線

圖3 不同掃速下(掃描速度分別為10、20、40、60、80和100 mV·s-1從內(nèi)到外)，CBS-ZT菌在200 μL PBS中的循環(huán)伏安曲線

圖4 CBS-ZT菌峰值電流與掃描速度的關(guān)系

2.2 基于CBS-ZT菌為陽極的雙室微生物燃料電池的啟動(dòng)及性能

2.2.1 CBS-ZT菌為陽極的雙室電池的啟動(dòng)

經(jīng)過培養(yǎng)的CBS-ZT菌液接種于雙室MFC的陽極室中。電池的啟動(dòng)過程如圖5所示：剛剛接種1 d，電池的輸出電壓較高；1～2 d，輸出電壓降低明顯；3～5 d時(shí)電池電壓降幅明顯減小；第5 d開始，輸出電壓迅速提高，然后每天成線性增長(zhǎng)，繼續(xù)運(yùn)行至第10 d，輸出電壓基本達(dá)到穩(wěn)定，說明CBS-ZT菌為陽極的雙室MFC啟動(dòng)成功。

圖5 雙室電池電壓變化曲線

2.2.2 CBS-ZT菌為陽極的雙室電池的性能

CBS-ZT菌為陽極的雙室MFC啟動(dòng)成功后，將外電阻從500 Ω調(diào)節(jié)到11 000 Ω進(jìn)行電池性能測(cè)定，如圖6所示：隨著外電阻的增大，電池的輸出電壓不斷提升，在外電阻達(dá)到11 000 Ω時(shí)雙室MFC的最大開路電壓為0.54 V。由雙室電池的極化曲線，如圖7所示，曲線a1可知：當(dāng)電流密度為(37 μA/cm2)時(shí)，電池的最大輸出功率密度為11 μW/cm2；曲線b1表明：電池的最大電流密度為(62 μA/cm2)。

3 結(jié)語

本文基于厭氧嗜熱CBS-ZT菌直接電化學(xué)研究，成功構(gòu)建了CBS-ZT菌陽極直接電子傳遞過程的雙室MFC，該電池啟動(dòng)成功后獲得11 μW/cm2的最大輸出功率密度，為高溫運(yùn)行的MFC篩選了新陽極產(chǎn)電菌。

圖6 雙室電池的開路電壓

電池輸出功率密度與電流密度的關(guān)系(a1，紅色曲線)；電池電壓與電流密度的關(guān)系(b1，藍(lán)色曲線)圖7 雙室電池性能的極化曲線