基于纖維素水解液的微生物燃料電池構(gòu)建及其性能研究.pdf

1、能源危機和環(huán)境問題是制約各國經(jīng)濟發(fā)展的主要挑戰(zhàn)，使用環(huán)境友好型能源是實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。纖維素是世界上儲量最豐富的生物質(zhì)資源，具有巨大的能源利用潛能。目前，利用纖維素發(fā)酵產(chǎn)氫及產(chǎn)乙醇技術(shù)已實現(xiàn)較大的技術(shù)進步，為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，纖維素發(fā)酵過程中產(chǎn)生許多中間代謝產(chǎn)物和大量纖維素類有機廢水。這類有機廢水不僅存在于工業(yè)廢水中，還常常存在于各類生活廢水當(dāng)中，成為重要的環(huán)境有機污染源。因此，這些有機廢水的可再生

2、利用成為環(huán)境治理的一個重要挑戰(zhàn)。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是通過微生物催化作用，降解有機物并將其中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，可同時實現(xiàn)廢物再利用和能源轉(zhuǎn)化，是全新的生物質(zhì)能技術(shù)。目前，微生物燃料電池利用纖維素產(chǎn)電的技術(shù)仍處于起步階段，主要集中在菌株篩選及MFCs性能描述階段，且產(chǎn)電量相對較低。通過外加纖維素酶提高MFCs的電能輸出的策略難以實現(xiàn)技術(shù)突破，這些問題是纖維素微生物燃料電池實際應(yīng)用的主

3、要技術(shù)瓶頸。
　　針對纖維素類MFCs目前存在的主要問題，本文采用典型的雙室MFCs，通過接種白蟻腸道微生物菌群及希瓦氏奧奈達金屬還原菌(Shewanella oneidensisMR-1)，研究并優(yōu)化其利用纖維素類有機物的產(chǎn)電性能;通過輸入氧氣、外加電子中介體及修飾陽極，考察氧氣、核黃素、不同材料陽極對纖維素水解液MFCs產(chǎn)電性能的影響。在電子轉(zhuǎn)移機制研究方面，采用電化學(xué)技術(shù)和基因工程手段，進一步解析了S.oneidensis

4、MR-1在纖維素水解液中的電子傳遞途徑，為優(yōu)化纖維素水解液MFCs性能的策略提供了理論依據(jù)。本論文的主要研究成果歸納如下:
　　1)研究發(fā)現(xiàn)S.oneidensis MR-1可以利用纖維素水解液產(chǎn)電，并獲得了17.2±0.5 mW/m2的功率輸出;同時，經(jīng)過馴化后的白蟻腸道微生物菌群能夠利用羧甲基纖維素，木糖及葡萄糖產(chǎn)電，但是，目前產(chǎn)電效率還比較低。
　　2)氧氣對纖維素水解液MFCs產(chǎn)電的影響是負(fù)面的，陽極室中的氧氣會顯著

5、抑制纖維素水解液MFCs產(chǎn)電效率。
　　3)研究發(fā)現(xiàn)，通過外加電子中介體和采用修飾電極方法，都可以大幅度提高纖維素水解液MFCs的產(chǎn)電性能，通過優(yōu)化獲得～660 mW/m2功率輸出的纖維素水解液電池。
　　4) S.oneidensis MR-1雖然不能利用葡萄糖和木糖代謝生長，但可利用以木糖或葡萄糖為單一碳源的MFCs產(chǎn)電，證明在纖維素水解液MFCs中，S.oneidensisMR-1是以木糖和葡萄糖為主要電子供體產(chǎn)電。同

6、時，通過外加核黃素及采用PANI電極修飾的方法，顯著提高了MFCs的產(chǎn)電能力。
　　5)纖維素水解液MFCs的電子傳遞機制(EET)的研究表明，在纖維素水解液MFCs中，核黃素和細(xì)胞色素蛋白（OmcA及MtrC）沒有參與S.oneidensis MR-1的電子轉(zhuǎn)移過程。但是，通過高濃度核黃素的添加和聚苯胺修飾電極方式可以激活以核黃素為介體的間接電子傳遞和細(xì)胞色素蛋白的直接電子傳遞過程。
　　6)以純菌為陽極菌的纖維素水解液M