抗生素與微生物燃料電池之間的雙向影響研究

高國彬 張宏偉 單子岳 宗天宇

摘 要：在石油能源日益短缺的今天，微生物燃料電池（MFC）越來越受到人們的青睞，而抗生素則是現(xiàn)代醫(yī)學必不可少的一類殺菌藥物。本實驗將探究MFC與抗生素間的雙向影響關系，觀測抗生素對產電微生物群落結構的影響，同時判別MFC對于抗生素的降解是否有效，為MFC的前景發(fā)展提供基礎，積極響應國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

關鍵詞：微生物燃料電池;抗生素;雙向影響

引言

能源危機是全世界面臨的重大問題之一，而全球變暖也使得極端氣候頻繁出現(xiàn)，人們開始關注其他可替代型能源。微生物燃料電池（MFC）是一種新型的產電裝置，它利用電化學活性微生物作為催化劑，能將有機物中的化學能轉化為電能，理論上其能量轉化效率相對于傳統(tǒng)的能源間接轉換方式要更高。除此之外，MFC在常溫環(huán)境條件下也可正常運行，且由于其產生氣體主要成分為二氧化碳，故不需要進行廢氣處理。MFC在廢水處理、生物醫(yī)學等方面有廣泛的應用前景，如：MFC可以利用海底淤泥中的有機物和微生物，在海底為無人值守產電裝置產電;也可以利用少部分血糖為超微型心臟起搏器供電[1]。

抗生素是目前應用最為廣泛的抑菌、殺菌藥物，由于其價格低廉、易于提取，在醫(yī)學上被大量應用，也正因為抗生素的濫用導致了出現(xiàn)一些新問題，如耐藥菌的產生及DNA污染等。人們因抗生素的濫用付出了代價，因此，如何減少抗生素的濫用成為了一個刻不容緩的問題。

由于MFC可用于處理廢水，在其推廣過程中可能會遇到水體中抗生素積累的問題，而微生物作為MFC的重要組成部分可能會受到影響，進而影響MFC的產電效率。探究清楚抗生素與微生物燃料電池性能的雙向影響，可以有效地為MFC的后續(xù)發(fā)展提供便利條件，同時對抗生素的降解和減少環(huán)境污染也有很重要的意義。

1? 實驗方案

制備陽極培養(yǎng)液和陰極培養(yǎng)液各1L，組裝微生物燃料電池反應器3組。設置三組平行實驗，MFC采用雙室模型。

雙室MFC由兩個電極室組成， 一個為厭氧室（陽極室），另一個為好氧室（陰極室）。在厭氧室， 物質被微生物氧化， 電子被外加載體或者介體轉移到陽極。在好氧室，電子通過外電路、質子通過質子交換膜分別到達陰極化合形成水。[2]

實驗項目設置三組平行實驗。第一組MFC正常運行，作為空白對照組;第二組MFC在實驗周期穩(wěn)定期時加入一定含量的抗生素，取抗生素加入一段時間后后電極上的微生物，觀測其群落結構與空白組微生物群落結構區(qū)別;第三組MFC在試驗周期穩(wěn)定時加入一定量的抗生素，并斷開電路。

1.1? 培養(yǎng)液配置

本實驗接種微生物為污水池活性污泥，取回后靜置，傾倒上端上清液，與培養(yǎng)液按體積比1：3混合后接種到微生物燃料電池陽極室。

陰極培養(yǎng)液為0.4mol/L NaCl和0.2mol/L K3[Fe（CN）6]以3：2體積比配制而成的混合液。

1.2? 實驗步驟

1.2.1? 微生物群落分析

MFC反應器共設置三組。每組具體實驗步驟見下。

第一組：通路情況下持續(xù)進行微生物燃料電池的運行，分析微生物群落結構。

第二組：穩(wěn)定期時在陽極加入一定量的抗生素，一定時間后取陽極上的生物膜，進行微生物群落的分析，同時進行第一組陽極上微生物群落結構的分析。

第三組：穩(wěn)定期時在陽極加入一定量的抗生素，同時將電路斷路，分析微生物群落結構。

為了確保微生物樣品具有代表性，本實驗取樣時間定為MFC系統(tǒng)穩(wěn)定產電后30天，將樣品置于顯微鏡下觀察進行半定量分析。

1.2.2? MFC產電性能比較

三組都進行極化曲線與循環(huán)伏安法分析，比較三者異同。

（1）極化曲線測定：MFC所產生的電壓U通過數(shù)據(jù)采集器進行采集.由歐姆定律計算電流I， 電流密度J=I/A， 功率密度P=IU/A，

其中A為陽極面積。MFC的陰、陽極電勢以飽和甘汞電極為參比電極進行測量。

極化曲線采用穩(wěn)態(tài)放電法測量， 實驗過程中在電極兩端連接50～10 000Ω的一系列負載電阻， 每個阻值下穩(wěn)定約1 h后測量負載電阻兩端的電壓。計算電流、電流密度和功率密度后， 將電壓和功率密度對電流密度分別作圖， 得到極化曲線和功率密度曲線。

（2）循環(huán)伏安法：電極開路一小時后，陽極作為工作電極，陰極為對電極，連接參比電極并放置于陽極當中，進行循環(huán)伏安掃描，設置掃描范圍為-0.5V至0.5V（Vs.SHE），掃速設置為1-5mV/s。

循環(huán)伏安曲線的處理方法：陰極反應的電流稱為陰極電流，對應還原峰;陽極反應的電流稱為陽極電流，對應氧化峰。一般國內規(guī)定陰極電流用正值陽極用負值，國外很多文獻反之。通常，氧化峰位于較正的電位而還原峰位于較負的電位，這是極化作用的結果。

1.2.3? 抗生素降解性能分析

在穩(wěn)定期，三組都定時測定陽極水質中抗生素的含量。本實驗采用的抗生素測試樣品為四環(huán)素，由于不同濃度的四環(huán)素吸光度不同，可利用分光光度法進行測定。

2? 實驗結果

2.1? 伏安特性曲線分析

各組MFC運行產電情況用循環(huán)伏安法測量結果見下。

（1）第一組實驗數(shù)據(jù)見下圖。本組實驗無抗生素影響，電路閉合，為空白對照組。從圖中可分析出MFC隨培養(yǎng)時間的增加，其產生電動勢及電流基本可認為穩(wěn)定增加，直到一個閾值。陽極反應為

陰極反應為

（2）第三組實驗數(shù)據(jù)見下圖。本組實驗在本組實驗在陽極液中加入20mg四環(huán)素，其余培養(yǎng)液成分不變，電路斷開。

圖1中黑色曲線為空白組伏安特性曲線，紅色曲線為第三組實驗伏安特性曲線。兩組曲線對比可發(fā)現(xiàn)，第三組實驗在加入四環(huán)素并保持斷路時，在同等電動勢的情況下，產生的電流要高于對照組。原因可能是四環(huán)素的加入會刺激微生物的增長。

由以上結果可看出，加入四環(huán)素的實驗組產電量高于不加入的空白組，說明抗生素在一定條件下有利于MFC的運行。但MFC必須保持閉路狀態(tài)，否則隨著時間的推移，微生物的生長將會受到抗生素的抑制，從而降低MFC的產電能力。

2.2? 分光光度法曲線分析

王晰等人用離子液體萃取分光光度法測定水中四環(huán)素類抗生素，在380nm處有最大吸收峰。本次實驗采用此方法測量三組實驗中剩余的抗生素量，共測量了10天的變化量。

由第二組和第三組曲線對比，可分析出在電路閉合狀態(tài)下，隨著時間的推移，第二組吸光度下降的速率要高于第三組。即在通路狀態(tài)下，MFC中微生物降解四環(huán)素的效率要高于斷路狀態(tài)下的降解效率。

3? 結語

MFC中的微生物生長繁殖受抗生素影響，但它們也會將一定量的抗生素分解。本次實驗可在一定程度上表明適量的抗生素對MFC的運行是有利的，且對抗生素的無害化也有一定的幫助。由于實驗室條件與實際環(huán)境條件有一定的差別，而人們對于MFC的實際應用仍有許多需要解決的問題，因此若要在實際生活中大規(guī)模應用MFC，需要更深入和更全面的研究。由于MFC具有能量轉化效率高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點，其發(fā)展前景依舊十分樂觀。

參考文獻：

[1] 徐功娣，李永峰，張永娟，等.微生物燃料電池原理與應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2012：244-245.

[2]賈斌，李小明，劉志華，楊麒，廖德祥，曾光明，鄒高龍，胡勁梅，劉精今.雙室和單室微生物燃料電池的研究及比較[J].環(huán)境污染與防治，2008（05）：74-77+82.