兼性厭氧海洋細菌Shewanella sp. N3B_R的分離鑒定及產電性能分析研究*

王再明 王健鑫 苑文鳳 李 鵬

(浙江海洋大學海洋科學與技術學院 舟山 316022)

產電菌是能將電子傳遞給最終電子受體, 并產生電流的一類微生物。這類微生物具備電化學活性,因此常被用來作為微生物燃料電池(MFCs)的陽極菌進行研究(Logan, 2009)。大多數產電微生物是厭氧或兼性厭氧細菌, 由于某些厭氧菌株具有致病性, 兼性厭氧細菌更適合在MFC 中應用。常見的產電微生物主要有希瓦氏屬Shewanella (Ringeisen et al, 2006)、地桿菌屬 Geobacter (Bond et al, 2003)、紅育菌屬Rhodoferax (Chaudhuri et al, 2003)、芽孢桿菌屬Bacillus (Nimje et al, 2009); 綠彎菌門屬Chloroflexi、根瘤菌屬 Rhizobium、甲烷桿菌屬 Methanobacterium等也有報道(Rezaei et al, 2007; Rismani-Yazdi et al,2007; Ishii et al, 2008)。Takeuchi 等(2017)利用Cellulomonas spp.作為產電菌, 以纖維素作為營養基質應用于MFC。Dai 等(2017)利用厚壁菌門菌作為陽極產電菌, 研究發現其 MFC 開路電位約為 650 mV,最大功率密度為 437 mW/m2。Nor 等(2015)從好氧棕櫚油廠廢水中分離出銅綠假單胞菌株(Pseudomonas aeruginosa)ZH1, 結果顯示其最大功率密度為85.11 mW/m2,電流密度為91.12 mA/m2。陽極液和陽極材料的選擇也影響產電細菌的性能。Zhang 等(2017a)研究發現,在陽極液中添加富馬酸鹽后, 陽極電極表面細菌增多, 功率密度是不添加富馬酸鹽的 2.41 倍。Chen 等(2015)通過共聚焦掃描激光顯微鏡和循環伏安實驗證明石墨烯修飾的陽極對希瓦氏菌 MR 生物膜的生長具有明顯的抗菌作用。

海水養殖逐漸規模化, 高度密集化, 在帶來經濟收益的同時, 對海洋環境的影響也隨之增加, 如近海海水的氨氮含量增加、重金屬含量增加, 甚至產生海水酸化現象(劉曉輝等, 2017)。MFCs 是一種很有前途的從廢水或污染物中獲取能量的技術(Watanabe, 2008),它能將化學能轉化為電能(Samsudeen et al, 2016)。雙室MFC 采用中間的陽離子交換膜Nafion(美國杜邦公司)將陽極和陰極進行分隔(Esfandyari et al, 2017;Zhang et al, 2017b)。產電菌附著在陽極表面, 而陽極材料往往是影響產電菌生長和產電性能的重要因素。碳布因其良好的導電性而被用作 MFCs 的陽極材料,但其較差的生物相容性限制了其應用。通過選擇合適的改性碳布陽極材料, 能夠有效提高 MFCs 的性能(Quan et al, 2015; Huang et al, 2016; Zhang et al,2017c)。聚苯胺(PANI)具有良好的導電性、生物相容性和環境穩定性(Hou et al, 2013; Cao et al, 2017), 可以改善細菌附著, 增強細胞外電子轉移(Mashkour et al,2016), 用聚苯胺等材料改性的碳布陽極可以增大產電菌接觸面表面積, 提高輸出電壓(Zhang et al, 2014)。

近年來, 不斷有各種導電性能良好的新材料被應用于陽極的改性。Hidalgo 等(2016)用四個月時間來測試三種不同的陽極材料的 MFC 電池性能, 結果表明, 陽極電極改性碳涂層鞍形填料提供優秀的高導電性。Liu 等(2017)研究表明, 具有良好電化學活性的PANI 納米可以降低電荷轉移電阻。然而, 由于材料成本高, 大規模的應用在MFCs 仍是有限的。

本研究分離鑒定了 1 株來源于海水養殖場的海洋產電菌, 經過鑒定為希瓦氏菌。初步的發電實驗表明, 希瓦氏菌 N3B_R 的輸出電壓是其他菌的 2—3倍。Shewanella sp. N3B_R 是一種從海水養殖池塘中分離到的兼性厭氧海洋細菌, 具有獨特的優勢和研究前景。利用響應面法(RSM)來提高陽極室在 MFC運行過程中的功率密度。很少有研究報道使用 RSM的BBD 來改善MFC 的性能。此研究為處理海水污染和人工養殖廢水提供了新的途徑, 期望實現資源的循環利用。

1 材料與方法

1.1 菌株的分離

該菌株是從舟山海水養殖池塘的廢水和污泥中分離得到。樣本富集培養基在厭氧環境中。富集培養基配方如下(每升海水): 蛋白胨(8.0 g/L), 酵母提取物(1.0 g/L), 醋酸鈉(16.0 g/L), 氯化鈉(5.0 g/L), 氯化鈣(0.1 g/L), 氯化鎂(0.1 g/L), 磷酸鉀(1.2 g/L), 半胱氨酸(1.0 g/L), 檸檬酸鐵(4.8 g/L)。培養基初始pH 值調整為7.0±0.2, 高壓蒸汽滅菌20 min。1 mL 已處理污泥和廢水養接種于適量富集培養基厭氧管中, 30°C培養3 周, 直到培養基顏色從棕色改變到黑色, 富集培養后, 用平板法分離得到分離菌株。

1.2 菌株的鑒定

利用試劑盒提取染色體 DNA 后, 使用通用 16S rDNA 引物擴增分離株的16S rDNA 基因, 并在PCR擴增儀(TaKaRa Thermal Cycler Dice TP600, TaKaRa Biomedical Technology (Beijing) Co., Ltd.)進行 PCR擴增。PCR 混合物包含 25 μL PCR 預混料、0.5 μL 底物和反向引物(20 pmoL/μL)和 23 個 μL 16s-free H2O。使用DNA 片段PCR 試劑盒進行提純(TaKaRa, 大連,中國)。菌株N3B_R 的586 bp 16S rRNA 基因序列由大連TaKaRa 生物技術有限公司鑒定。利用BLAST 程序將獲得的基因序列與GenBank 中的序列進行比對。采用 MEGA 7.0 的鄰接方法構建系統發育樹(Kimura,1980; Felsenstein, 1985; Tamura et al, 2007)。采用API 20NE 進行標準生化分析。用掃描電鏡(SEM, ZEISS,EVO MA10)觀察了陽極電極表面的菌株形態。

1.3 陽極電極的修飾

在修飾之前, 碳布(W0S1002, 中國臺灣)電極(碳布塊大小0.9 cm×1.4 cm)浸泡在丙酮試劑中10 h 去除雜質和油脂, 后用去離子水沖洗, 并在 65°C 干燥10 h。將 3 個碳布電極分別浸泡在 0.05 mol/L、0.15 mol/L、0.2 mol/L 的苯胺單體(阿拉丁, 上海)溶液中(用1.0 mol/L 鹽酸調節pH 至1.0), 以鉑電極作為對電極, 飽和甘汞電極作為參比電極。利用循環伏安法電沉積聚苯胺, 采用電化學工作站(Bio-Logic, sp-300,法國), 掃描頻率為-0.1—1.0 V, 頻率為 20 mV/s(30),循環指數為 10。沉積后的電極用去離子水洗滌, 在65°C 下干燥10 h。并以未修飾的碳布電極作為對照。四組不同陽極電極的燃料電池反應器分別記為R0(未修飾)、R1(0.05 mol/L)、R2(0.2 mol/L)、R3(0.15 mol/L)。

1.4 MFC 的組裝

MFC 由陽極室和陰極室(每個室 100 mL)組成,陽極室和陰極室之間用質子交換膜 Nafion117 隔開(有效面積約為12.56 cm2)。陽極和陰極電極由銅導線連接并外接電阻為 1000 Ω, 輸出電壓的數據采集由與計算機相連的數據采集系統(上海U00249)完成。陽極和陰極室分別填充了60 mL 的LB 肉湯培養基(pH調節至7.0±0.2)和50 mm 的鐵氰化鉀。海洋產電細菌在30°C LB 培養基中培養, 于振蕩培養箱中培養至光密度1.5 (OD600)。在MFCs 開始工作之前, 將0.1 mL菌懸液接種到陽極液中, 運行 MFC 以獲得穩定的電位生成, 獲得穩定電位后, 測量極化、功率密度。陰極電極均為未修飾的碳布。

1.5 雙室燃料電池電化學性能測試

陽極和陰極室分別填充了60 mL 的LB 肉湯培養基和 50 mm 的鐵氰化鉀。將陽極溶液 pH 調節至7.0±0.2。海洋產電細菌在 30°C LB 培養基中, 在振蕩培養箱中培養至光密度1.5 (OD600)。在MFCs 開始工作之前, 將0.1 mL 菌懸液接種到陽極液中。運行MFC以獲得穩定的電位生成。獲得穩定電位后測量極化、功率密度。

電壓變化記錄每30 min 使用數據采集系統在外接電阻1000 Ω 下進行記錄采集。極化曲線利用外接電阻變化法測試, 外部電阻從10 kΩ—100 Ω 通過測量穩定電壓生成, 其中每個電阻測30 min。電流密度和功率密度是電流和功率除以陽極面積, 電流密度I(A/m2) = V/P(RA)和功率密度(W/m2) = V2/(RA), 其中R 是外部阻力(Ω), V 是測量電壓(mV), A 是陽極電極的面積(m2)。

為了測定陽極菌的電化學活性, 在電化學工作站(Bio-Logic, SP-300, 法國)進行了循環伏安(CV)分析。分別以四個MFC 中的陽極電極作為工作電極, 以銀電極(Ag/AgCl)作為參比電極, 鉑電極為對電極。CV 實驗在接種陽極菌的液體培養基中以 100 mV/s的掃描速率進行, 掃描范圍為-1 V 到1 V。

采用傳統三電極系統分析MFC 系統的電化學阻抗譜(EIS), 陽極與工作電極連接, 參比電極與鉑對電極分別與參比電極、對電極連接。EIS 測試是在掃描頻率為1.0—100 kHz, 0.005 V 的情況下使用恒電位器進行的。

1.6 響應面分析

響應面法(Response surface method, RSM)是一種減少研究工作量的統計方法。本研究采用 RSM 的Box-Behnken Design (Design-expert 8.05 USA)設計確定了陽極室陽極菌輸出電流功率密度的最佳條件,以提高MFCs 系統的輸出功率。

2 結果與分析

2.1 菌株的鑒定

對 PCR 擴增產物進行 16S rDNA 序列分析(586 bp), 鑒定菌株由上海美吉生物制藥科技有限公司進行。該菌株已在CGMCC (CGMCC1.16968)中保藏。分離菌株的生化特征為革蘭氏陰性, 具有桿狀結構。API (API 20NE)的結果如表1 所示。表1 中, NO3表示硝酸鹽反應, TRP 表示色氨酸反應, GLU 表示葡萄糖產酸, ADH 表示乙醇脫氫酶反應, URE 表示尿素反應, GEL 表示凝膠酶反應, MAN 表示甘露醇產酸試驗, ESC 表示七葉靈反應, PNG 表示對硝基半乳糖反應, ARA 表示阿拉伯糖反應, MNE 表示甘露糖反應,NAG 表示N-乙酰-葡萄糖胺反應, MAL 表示麥芽糖反應, GNT 表示葡萄糖酸鹽反應, CAP 表示葵酸反應,ADI 表示乙二酸反應, MLT 表示蘋果酸反應, CIT 表示檸檬酸反應, PAC 表示苯乙酸反應, OX 表示細胞色素氧化酶反應。

表 1 菌株 N3B_R 的 API 20NE 結果Tab.1 Characterization of the strain Shewanella sp. N3B_R using API 20NE

由表 1 可知, 該菌株對可利用 D-葡萄糖、D-果糖、D-甘露糖、D-核糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖、乳糖、蔗糖、麥芽糖、海藻糖、蜜二糖melibiose、纖維二糖cellobiose、棉子糖、甘露醇、esculin、水楊酸、苦杏仁苷(單一碳源試驗)。API 鑒定結果顯示, 該菌屬于Shewanella 屬的可信度達到了97%。

該基因序列已上傳至NCBI 的GenBank, 獲取的登錄號為 MK053884。利用 Clustalx1.83 軟件進行序列比對, 將比對后結果利用 MEGA 7.0 的鄰接方法,基于16S rRNA 序列構建了系統發育樹, 如圖1 所示。系統進化樹結果顯示, 該菌株在進化地位上與Shewanella algae hiro1、Shewanella algae PSB-05 和Shewanella sp. EM0501 密切相關, 與該兩株菌的相似性達到 99%以上, 鑒定結果該菌株為 Shewanella 屬,命名為Shewanella sp. N3B_R。

圖1 菌株N3B_R 的系統發育樹Fig.1 Phylogenetic tree based on the 16S rDNA sequencing

圖2 未修飾電極表面和聚苯胺修飾電極表面電鏡掃描圖Fig.2 SEM images of carbon cloth, showing the surface of the polyaniline-modified electrode and unmodified electrode

利用戊二醛對產電菌吸附的陽極電極進行固定,送上海皓揚生物有限公司進行掃描電鏡(SEM)掃描,圖 2 表征了聚苯胺修飾電極海洋產電菌吸附形態和未修飾電極表面的形貌。從圖中可以清晰看到經過聚苯胺修飾電極的陽極表面, 吸附較多的希瓦氏Shewanella sp. N3B_R, 該菌呈現明顯的桿狀、短桿狀形態, 還可觀察到形成的生物膜, 以及絲狀物質、顆粒狀物, 該物質很可能是聚苯胺與菌株代謝物結合產生, 起到一定的固定細胞、增加吸附力以及產電輸出的作用。未經修飾的碳布表面則無物質吸附, 呈條狀結果, 符合碳布的結構組分特點。

2.2 MFC 的電化學性能

將電沉積后的陽極電極分別組裝與 MFC 中, 接種產電菌, 20 h 后進行電壓數據收集, 結果顯示用0.15 mol/L 苯胺修飾的碳布電極具有最大的電壓輸出,最大電壓為140 mV, 為其他三組電極的2—6 倍。

為了測試陽極產電菌的最大輸出功率, 當 MFC時達到穩定狀態時, 功率密度測量的通過改變外接電阻(10 kΩ—100 Ω)進行, 如圖3 所示, 當達到穩定時,最大的輸出功率密度為反應器R3, 達到517.5 mW/m2,該結果與電壓輸出結果吻合較好, 這有力地說明導電聚苯胺在本研究中使MFC 輸出具有優越的性能。根據公式計算, 測得R3 反應器的內電阻為34.5 Ω。

為了探討四種不同電極的電子轉移性能, 采用循環伏安法分別對四個電極進行CV 測試, 來觀察不同陽極電極上的氧化還原反應。四種不同陽極電極的MFCs 的CV 曲線如圖 4 所示。0.15 mol/L 聚苯胺修飾電極的 MFC 具有更顯著的氧化還原峰, 其氧化峰為(0.58 mA/0.35 V)。與其他三種表現出亞峰(尤其是未修飾電極)的MFC 相比, R3 電極表現出明顯的氧化還原峰, 且明顯CV曲線包含的面積更大, 說明R3電極作為一個電容器具有很好的應用價值。對照未經修飾的碳布電極, 幾乎觀察不到明顯的氧化還原峰, 說明碳布電極上的電子轉移較少, 在電極兩端施加電壓后, 電極表面無明顯的氧化還原現象。圖像表明0.15 mol/L 濃度的聚苯胺很大程度地影響了MFC 中電流產生的性能。

圖3 四組MFC 的功率密度曲線Fig.3 The power density curve of microbial fuel cell (MFC)

圖4 四種陽極電極的CV 曲線圖Fig.4 The cyclic voltammetry of four anode electrodes

電化學阻抗譜 EIS, 也稱交流阻抗法, 是指給電化學系統施加一個頻率不同的小振幅的交流電勢波,測量交流電勢與電流信號的比值(此比值即為系統的阻抗)隨正弦波頻率 ω 的變化利用, 主要用于研究研究電極材料的擴散、內阻、電容、腐蝕等。本項目也通過測試阻抗譜, 研究了不同電極的 MFC 系統在電化學反應中的內阻。

圖5 為不同陽極MFC 的Nyquist 圖。0.15 mol/L濃度聚苯胺修飾電極MFC 高頻區域的半圓直徑是四個MFC 中最小的, 這表面該電極的內阻越小。

低頻區傾斜的直線代表的是擴散阻抗, 理論上斜率應該為1(也就是傾角為45°)。若傾角小于45°, 說明存在一定的彌散效應; 若傾角大于 45°, 則說明存在一定的電容行為。

實驗結果顯示, 四個電極在低頻區域的趨勢線基本相同, 其中 R0 的斜率最大, 說明其擴散阻抗最小, 也一定程度證明, 碳布材料作為電容的可行性。R3 反應器的電荷轉移電阻比其他陽極的電荷轉移電阻小。通過電極修飾可以明顯改變高頻區半圓直徑,減少電極材料的內阻, 提高電荷轉移效率, 從而提升產電性能。利用0.15 mol/L 聚苯胺改性碳布陽極的內阻最低, 而其他三種MFC 的內阻較高。

2.3 響應面設計(BBD)

為了優化陽極室條件對產電菌輸出功率的影響,參考溫度、苯胺單體濃度、和氯化鈉濃度三個因素,使用 Box-Behnken 設計的響應面方法對其進行最優化設計。設計如表2 所示。輸出功率密度的響應值選輸出電壓保持穩定在10 d 后。

多項式表達式得到如下: Y = 520.34-63.57A+4.33B-37.00C+3.35AB-3.00AC+6.00BC-71.10A2-3.1 B2-43.24C2

其中, A、B、C 分別表示溫度、苯胺濃度、NaCl濃度。利用公式的功率密度預測水平與實驗數據如表 2 所示。

圖5 四種不同陽極電池的阻抗圖Fig.5 The EIS (electrochemical impedance spectroscopy) of the four MFCs using a Bio-Logic SP-300

表2 三因素水平設計表(BBD 設計)Tab.2 Three-factor Box-Behnken design and predicted responses of the dependent variables for output power density in MFC

方差分析結果(ANOVA)見表3。實驗重復三次。P 值表示各參數的相互作用強度。P 值的模型＜0.0001,說明該模型意義重大, 適合當前的實驗。“Prob＞F”的值小于0.0500 表明模型項是顯著的。在這種情況下,A、B、C(線性模型項)、AB、BC(交互模型項)和 A2、B2、C2(二次模型項)是重要的模型項。大于 0.1000的值表示模型項不顯著。6.07 的“缺擬合f 值”意味著相對于純誤差缺擬合不顯著, 二階模型適用。

預測 R2為 0.9916, 調整 R2為 0.9986, 表明兩者之間是合理一致的。Adeq 精度測量的是信噪比,110.000 表示信號充足。低的 C.V.值 0.56%表明了實驗的高可靠性, 參見表4。

圖 6 顯示了模型的良好擬合性以及實際值與預測值之間的一致相關性。由圖6 可知, 預測值與真實值基本都位于一條直線上, 從此圖也進一步驗證了模型的可信度。

表3 功率密度的方差分析Tab.3 Analysis of variance (ANOVA) of the quadratic model for power density

表4 二次模型的回歸分析Tab.4 Regression results of the quadratic model for power density

圖6 真實值與估計值的誤差分析Fig.6 Plot of the predicted vs. the actual obtained by the Box-Behnken design

3D 模型圖如圖7、圖8、圖9 所示。其中圖7 顯示苯胺濃度和溫度交互作用的影響。當保持鹽度不變時, 隨著溫度增加, 輸出功率先逐漸上升, 后降低,且超過40°C 后下降速度明顯增加。

圖 8 表示NaCl 濃度和溫度的交互作用, 當保持苯胺濃度為0.15 mol/L 不變時, 隨著NaCl 濃度增加,溫度升高, 輸出功率密度升高后逐漸下降。

圖 9 表示NaCl 濃度和苯胺濃度的交互作用, 當保持溫度為35°C 不變。隨著NaCl 和苯胺濃度的增加,產率繼續增加, 后降低。

3 討論

3.1 海洋產電菌多樣性分析

從舟山海域海水養殖場中分離篩選到一株海洋兼性厭氧細菌, 利用16S rRNA 基因序列和API 20NE生化分析進行鑒定, 采用掃描電鏡進行菌株形態的觀察, 鑒定結果為Shewanella sp. N3B_R, 研究表明該菌株表現出較好的產電活性, 輸出的最大功率密度達到517.5 mW/m2。電鏡掃描顯示該菌株在碳布表面具有較好的吸附性, 電極材料對其生長未表現出明顯的抑制作用。目前, 對海洋產電菌產電性能研究的相關報道較少, 希瓦氏菌是典型的海洋產電細菌,有部分來源深海及熱泉附近(Wei et al, 2007)。王彪等(2010)從廈門白城海域的潮間帶表面沉積物中篩選到一株海洋產電菌Shewanella sp. S2, 輸出電壓最高為150 mV, 相應的電流密度為 66.1 mA/m2。鄒聰慧等(2011)發現海洋產電菌 Shewanella marisflavi EP1 在高鹽度下具有優良的降解脫色特性, 這為海洋產電菌在處理染料廢水方面的研究提供了支持。海洋來源的產電菌具有耐高壓、耐鹽、耐滲透壓等特點, 具有與陸生微生物不同的代謝途徑, 這為海洋細菌的應用提供了更廣的前景。

圖7 苯胺濃度與溫度之間的功率密度的三維響應面和二維等值線圖Fig.7 The 3D-response surface and 2D-contour plots of power density (mW/m2) between aniline and temperature

圖8 氯化鈉濃度與溫度之間的功率密度的三維響應面和二維等值線圖Fig.8 The 3D-response surface and 2D-contour plots of power density (mW/m2) between NaCl and temperature

圖9 氯化鈉濃度與苯胺濃度之間的功率密度的三維響應面和二維等值線圖Fig.9 The 3D response surface and 2D-contour plots of power density (mW/m2) between aniline and NaCl

目前對污水的處理方法常見的有物理、化學以及生物法, 物理和化學方法很容易造成對環境的二次污染, 造成水體中有害物質含量升高, 且成本較高。生物法(如活性污泥等方法)盡管不易造成二次污染,但是處理的效率往往不高, 且后期對活性污泥的回收利用、處理堆放也是一個難題。盡管目前已可以利用處理過污水的活性污泥進行堆肥發酵后, 應用于種植, 但其中的部分有害物質去除較為困難, 易造成土壤的污染。

在本研究中, 我們使用海洋兼性厭氧菌 Shewanella sp. N3B_R 通過雙室MFC 系統來研究其產電性能。檢測不同濃度聚苯胺修飾碳布電極后對MFC 反應系統的影響。研究表明海洋陽極產電菌及陽極電池的特性對 MFC 的性能有重要影響。功率密度曲線顯示,0.15 mol/L 濃度聚苯胺改性碳布陽極MFC 的發電量明顯最高(517.5 mW/m2)。通過循環伏安法和電化學阻抗譜分析表明, 與未修飾聚苯胺的陽極相比, 改善了MFC 的性能。

3.2 響應面設計的應用

響應面分析法是一種常見的優化條件的方法(Myers, 2003), 軟件選擇Design-Expert。當影響結果的因素較多時, 往往先采用Plackett-Burman 法, 對各單因素進行考察, 獲得影響因素最大的幾個單因素,按照中心組合設計原理進行響應面的分析, 常見的響應面分析方法有CCD (central composite design)、BBD (Box-Behnken design)及 HDD (historical data design)等, 上述方法可以精確地表述因素和響應值之間的關系, 在確定實驗因素及其交互作用對指標響應值的影響時, 幾種方法各有特點。BBD 是體現各個因素和響應值之間非線性關系的一種試驗方法,相對于 CCD 來說, 該方法重復試驗減少, 操作簡便且更經濟, 尤其適合影響因素較少(本實驗研究的影響因素為3 個)的優化設計。響應面BBD 系統設計對開發低成本和合適的MFC 應用程序非常有用。本項目研究的響應面分析結果顯示, 當最佳溫度分別為35°C、5 g/L、0.15 mol/L NaCl 和苯胺濃度時, 得到的功率密度最高值為522.1 mW/m2。

3.3 海洋微生物在MFC 中應用的展望

微生物燃料電池技術可以從廢水或污染物中獲取能量, 陽極產電菌可以將廢水或污染物中的化學能轉變成電能, 并通過 MFC 裝置進行輸出, 達到處理廢水循環利用, 產生清潔能源的目的。目前的海水養殖都是將養殖廢水直接排入海水, 造成海洋環境的污染, 利用海水來源的陽極產電菌, 可以將養殖廢水中存在的高濃度氮磷等有害物質, 通過 MFC 技術轉變為電能, 實現污水的循環利用。

海洋環境的特殊性造就了海洋來源的微生物具有獨特的代謝系統, 目前對于海洋微生物在 MFC 中的應用研究多集中于陽極產電菌。而陽極產電菌厭氧和兼性厭氧的特點使得菌株的篩選培養較為困難,尤其大部分的厭氧菌都為致病菌, 使得實驗室的進一步應用受到限制。

微生物燃料電池中對于微生物的研究基本集中在陽極產電菌的產電性能上, 近年來的研究也未發現新的具有高產電能力的產電菌菌株, 而產電菌的產電性能受陽極電極和MFC 系統的影響較大, 因此,很多學者逐漸轉向對電極材料、陰極電解液等方面的研究, 而電極的性能受限于成本, 使得 MFC 的大規模應用受到了很大的限制。

微生物燃料電池的生物陰極研究已經成為熱點,生物陰極室利用微生物催化陰極反應, 與傳統的陰極電極相比, 具有以下優點: (1) 微生物直接作為催化劑參與電子傳遞, 無需添加其他陰極催化劑, 節省大量成本, 簡化MFC 構造。(2) 微生物補充方便, 使MFC 的運行更為穩定(Rabaey et al, 2005)。(3) 生物陰極進行的反應, 如反硝化細菌, 可以應用于污水處理, 達到除氮的目的, 盛建海等(2018)從凡納濱對蝦(Litopenaeus vannamei)養殖水體的生物絮團中分離到一株具產絮能力的脫氮菌 xt1, 鑒定為短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus), 對氨氮、硝態氮去除率分別達69.95%和49.50%。Hasvold 等(1997)發現細菌在陰極上沉積并催化氧還原; Bergel 等(2005)報告了生物膜的存在, 使MFCs 的陰極表面電流密度大幅提高。研究表明海洋藻類作為生物陰極, 經過連續光照 21 h,開路電壓為 0.96 V, 短路電流密度為 75 μA/cm2, 而這些電能的輸出僅占藻類細胞吸收輻射能的0.1%—0.2%, 如何提高海洋藻類將光能轉化為電能的效率也是今后的研究方向。

4 結論

本研究從舟山海域養殖池中采用養殖污泥與廢水, 利用富集后厭氧培養, 經分離純化后獲得一株高產電的海洋產電菌希瓦氏菌 Shewanella sp. N3B_R,該菌株表現出良好的陽極產電活性。電鏡掃描結果顯示該菌在碳布表面呈現良好的吸附現象。通過陽極電極材料修飾, 再研究該菌株的產電性能, 結果顯示,0.15 mol/L 苯胺修飾的陽極電極, 在 MFC 體系中展現更好的產電性能, CV 以及 EIS 結果顯示, 接種Shewanella sp. N3B_R 的MFC 體系具有更小的內阻以及更高的功率密度。利用 BBD 優化產電性能, 結果顯示BBD 響應面設計適用于MFC 的因素優化。