鎂離子對(duì)微生物燃料電池陽(yáng)極微生物產(chǎn)電性能的促進(jìn)

張偉賢,趙慶良,2,張?jiān)其?姜珺秋

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090；2.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱150090)

?

鎂離子對(duì)微生物燃料電池陽(yáng)極微生物產(chǎn)電性能的促進(jìn)

張偉賢1,趙慶良1,2,張?jiān)其?,姜珺秋1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090；2.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱150090)

摘要:為考察鎂離子對(duì)微生物燃料電池陽(yáng)極微生物產(chǎn)電性能的影響,利用電化學(xué)測(cè)量與高通量測(cè)序等方法對(duì)比研究不同濃度鎂離子對(duì)微生物燃料電池陽(yáng)極電勢(shì)、電化學(xué)活性與陽(yáng)極微生物群落結(jié)構(gòu)等方面的促進(jìn)作用.結(jié)果表明：當(dāng)陽(yáng)極底物中鎂離子濃度分別為0.5(M1)、2.0(M2)和5.0 mmol/L(M3)時(shí)，微生物燃料電池陽(yáng)極電勢(shì)由對(duì)照組的-0.417 V(CK，vs. Ag/AgCl)分別降低至-0.443 (M1)、-0.469(M2)和-0.477 V(M3).相應(yīng)地，功率密度也由36.65 mW/m2(CK)分別提高至40.19(M1)、44.21(M2)和45.48 mW/m2(M3).此外，陽(yáng)極微生物的電化學(xué)活性與產(chǎn)電微生物量均隨陽(yáng)極底物中鎂離子濃度的升高得到顯著提高，說(shuō)明鎂離子能夠提高微生物燃料電池的功率輸出，對(duì)胞外電子傳遞過程有重要作用.

關(guān)鍵詞:微生物燃料電池;微生物;陽(yáng)極;鎂離子;產(chǎn)電

微生物燃料電池(microbial fuel cell，MFC)利用電化學(xué)活性微生物將廢水中污染物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)了廢水同步處理與產(chǎn)電，得到越來(lái)越多的關(guān)注，但其較低的輸出功率是限制其應(yīng)用的瓶頸之一[1].胞外電子傳遞(extracellular electron transfer，EET)指電子從陽(yáng)極微生物向陽(yáng)極傳遞的過程，直接影響MFC的能量轉(zhuǎn)換效率，因此,研究陽(yáng)極微生物胞外電子傳遞過程的影響因素對(duì)提高M(jìn)FC功率輸出具有重要的意義.金屬離子對(duì)MFC系統(tǒng)性能的提高或惡化具有不同的作用，可以改變?nèi)芤旱碾妼?dǎo)率、影響MFC的內(nèi)阻、產(chǎn)電量及電化學(xué)活性微生物的活性等[2]，這使得金屬離子成為了MFC優(yōu)化運(yùn)行條件與提高產(chǎn)電功率的研究熱點(diǎn).目前，一些貴金屬如Pt、Au等可以作為陽(yáng)極催化劑[3-4]，提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能；此外，如銅離子存在生物毒性，對(duì)MFC產(chǎn)電存在抑制作用[5]，也有學(xué)者據(jù)此設(shè)計(jì)了基于MFC的重金屬傳感器[6].

鎂離子是細(xì)胞內(nèi)含量最高的二價(jià)離子[7]，大多數(shù)細(xì)胞中鎂離子的總濃度約為20 mmol/L，而細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離的鎂離子為0.5～1.0 mmol/L[8].在生理作用上，鎂離子是核糖體和細(xì)胞膜必需的結(jié)構(gòu)物質(zhì)[9]，也是糖酵解途徑、三羧酸循環(huán)及一些物質(zhì)合成重要的酶激活劑[10].總體來(lái)說(shuō)，鎂離子參與了細(xì)胞內(nèi)多種生理過程，對(duì)于微生物的生長(zhǎng)增殖必不可少，但目前鎂離子對(duì)MFC陽(yáng)極微生物作用的研究卻未見報(bào)道.本文對(duì)3組陽(yáng)極底物中含有不同濃度鎂離子的混菌MFC進(jìn)行研究，并與對(duì)照組比較穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的陽(yáng)極電勢(shì)與輸出功率.采用循環(huán)伏安法和交流阻抗譜的電化學(xué)分析方法測(cè)試比對(duì)不同鎂離子濃度下MFC陽(yáng)極微生物電化學(xué)活性的差異，同時(shí)通過掃描電子顯微鏡觀察、陽(yáng)極總生物量測(cè)定、陽(yáng)極微生物群落結(jié)構(gòu)測(cè)序鑒定比較各實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組陽(yáng)極微生物膜形態(tài)與結(jié)構(gòu)的不同，旨在揭示鎂離子濃度對(duì)混菌培養(yǎng)下的MFC陽(yáng)極產(chǎn)電性能的影響.

1實(shí)驗(yàn)

1.1反應(yīng)器的構(gòu)建

采用單室空氣陰極微生物燃料電池[11]，反應(yīng)器腔體為直徑3 cm、高4 cm的圓柱體，有效容積28 mL.陽(yáng)極采用碳纖維刷[12]，碳刷的外徑與長(zhǎng)度均為3 cm.陰極按照文獻(xiàn)報(bào)道[13]制作，碳布上固定0.40 mg/cm2鉑催化劑.

1.2反應(yīng)器的運(yùn)行

各實(shí)驗(yàn)組分別在陽(yáng)極底物添加0.5(M1)、2.0 (M2)、5.0 mmol/L(M3)鎂離子3種條件下運(yùn)行，其中0.5 mmol/L約為細(xì)胞中游離的鎂離子濃度、2.0 mmol/L為MFC研究中人工配水常添加的鎂離子濃度[14]、5.0 mmol/L則為鎂離子相對(duì)過量的條件，同時(shí)設(shè)置不添加鎂離子的對(duì)照組(CK).在系統(tǒng)的啟動(dòng)階段，使用哈爾濱某污水處理廠污泥回流泵房污泥與含有不同濃度鎂離子的陽(yáng)極底物按1∶10比例混合并進(jìn)行接種.陽(yáng)極底物成分為1 g/L葡萄糖、0.5 g/L NH4Cl、17.1 g/L Na2HPO4·12H2O、3.0 g/L KH2PO4、0.3 g/L NaCl、0.01 g/L CaCl2、10 mL/L微量元素液(0.37 g/L MnSO4·H2O、0.01 g/L CuSO4·5H2O、0.02 g/L KAl(SO4)2、0.01 g/L H3BO3、0.1 g/L FeSO4·7H2O、0.1 g/L CoCl2·6H2O、0.1 g/L ZnSO4·7H2O、0.01 g/L Na2MoO4)及對(duì)應(yīng)不同濃度的MgSO4.其pH為7.0～7.2，ICP測(cè)得對(duì)照組陽(yáng)極底物中鎂離子濃度為2.38 μmol/L，電導(dǎo)率使用電導(dǎo)率儀測(cè)定(上海雷磁，中國(guó)).系統(tǒng)外電路負(fù)載1 000 Ω電阻，反應(yīng)器的陽(yáng)極電勢(shì)以Ag/AgCl電極(飽和KCl，+0.197 V vs. SHE)作為參比，通過數(shù)據(jù)采集器(12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，美國(guó))實(shí)時(shí)記錄電壓值.此外，所有反應(yīng)器置于25 ℃恒溫箱內(nèi)，成功啟動(dòng)后，以序批的方式運(yùn)行，當(dāng)總電壓小于50 mV時(shí)更換陽(yáng)極底物.

1.3測(cè)試分析方法

1.3.1電化學(xué)測(cè)試方法

循環(huán)伏安法控制電極電勢(shì)按一定的速率，隨時(shí)間以三角波多次反復(fù)掃描，使電極上交替發(fā)生不同的還原和氧化反應(yīng)，通過電壓-電流曲線分析陽(yáng)極微生物的電化學(xué)反應(yīng)活性.本文采用周轉(zhuǎn)和非周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安兩種測(cè)試方法，周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安法是在有底物存在條件下測(cè)試的，細(xì)胞擁有充足的電子供體，在每個(gè)掃描電勢(shì)下，電極表面的電化學(xué)活性蛋白都會(huì)被多次氧化和還原，通過最大的響應(yīng)電流可以判斷電極表面微生物電化學(xué)活性的強(qiáng)弱；而非周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安法是在無(wú)底物存在情況下測(cè)試的，通過饑餓運(yùn)行，使細(xì)胞失去所有電子供體，電化學(xué)活性蛋白只在特定電位發(fā)生一次氧化和還原過程，以此可以檢測(cè)電極表面蛋白的特征電勢(shì)，分析電化學(xué)過程的差異.循環(huán)伏安測(cè)試通過電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司，中國(guó))完成，采用三電極體系，以Ag/AgCl電極作為參比電極，陽(yáng)極為工作電極，陰極為對(duì)電極，掃描電勢(shì)范圍為-0.8～0.2 V，掃描速率為2 mV/s.

電化學(xué)阻抗譜可以確定陽(yáng)極的電化學(xué)參數(shù).測(cè)試采用與循環(huán)伏安法相同的三電極體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在開路電壓下，掃描的頻率范圍為100 kHz～10 mHz，外加交流電壓振幅為5 mV，測(cè)得數(shù)據(jù)使用Zsimpwin軟件進(jìn)行擬合.

1.3.2掃描電子顯微鏡分析

采用金屬鍍膜法觀察附著在微生物燃料電池陽(yáng)極上的微生物.首先將穩(wěn)定產(chǎn)電、附著有微生物的陽(yáng)極碳刷剪下，使用磷酸鹽緩沖液清洗，戊二醛固定1.5 h，隨后使用乙醇和乙酸異戊酯梯度脫水，并將干燥后的樣品粘在樣品臺(tái)上，最后鍍上金屬膜送入電鏡觀察(FEI公司，美國(guó)).

1.3.3陽(yáng)極微生物分析

陽(yáng)極微生物膜總生物量可以通過總蛋白量定量衡量.使用一步法細(xì)菌活性蛋白提取試劑盒與改良型BCA蛋白濃度測(cè)定試劑盒(上海生工生物工程有限公司，中國(guó))對(duì)各組反應(yīng)器陽(yáng)極碳刷進(jìn)行總蛋白的提取與測(cè)定.

陽(yáng)極微生物群落結(jié)構(gòu)分析中，首先使用DNA提取試劑盒(OMEGA公司，美國(guó))提取陽(yáng)極生物膜DNA，再利用添加標(biāo)簽的341F引物：CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG (barcode) CCTACGGGNGGCWGCAG和805R引物GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGACTACHVGGG

TATCTAATCC對(duì)基因組的16S rDNA序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增(BIO-RAD公司，美國(guó))，回收并進(jìn)行定量后，送入MiSeq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序分析.

1.4計(jì)算方法

MFC面積功率密度Pa的計(jì)算公式為

(1)

式中：U為MFC總電壓，V；R為外接負(fù)載電阻，取1 000 Ω；S為MFC陽(yáng)極的表面積， m2.

通過非周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安曲線可計(jì)算陽(yáng)極氧化還原蛋白的表面覆蓋度[15]，即

(2)

式中：Q為法拉第電荷即法拉第電流的積分，C；n為轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目，mol；F為法拉第常數(shù)，為96 485 C/mol；A為陽(yáng)極表面積，m2.表面覆蓋度Г與各組非周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安曲線的峰面積成正比.

2結(jié)果與討論

2.1鎂離子對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響

各反應(yīng)器在接種后，經(jīng)10 d成功啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行，一個(gè)運(yùn)行周期陽(yáng)極電勢(shì)變化曲線如圖1.陽(yáng)極產(chǎn)電微生物將電子傳遞至陽(yáng)極通過外接負(fù)載到達(dá)陰極，使陽(yáng)極產(chǎn)生相對(duì)于陰極的負(fù)電勢(shì)，因此，MFC陽(yáng)極電勢(shì)越低則表明陽(yáng)極產(chǎn)電性能越好.

圖1　陽(yáng)極電勢(shì)變化曲線

由圖1可以看出，M3陽(yáng)極電勢(shì)最低，最小值可達(dá)-0.477 V，M2最小值為-0.469 V，M1最小值為-0.443 V，均低于對(duì)照組陽(yáng)極電勢(shì)最小值-0.419 V(CK)，且MFC陽(yáng)極電勢(shì)隨鎂離子濃度提高而降低，功率密度相應(yīng)增大.當(dāng)陽(yáng)極底物鎂離子濃度由2.38 μmol/L增加至5.0 mmol/L，對(duì)應(yīng)功率密度提高了24.09%.上述結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，陽(yáng)極底物鎂離子濃度的提高可以明顯地提高微生物燃料電池陽(yáng)極的產(chǎn)電性能.Jayapriya等[16]在碳棒陽(yáng)極中摻雜了Mg2+-GECE，得到了相對(duì)于不摻雜鎂離子及摻雜其他金屬離子更高的陽(yáng)極產(chǎn)電性能.在25 ℃下，本研究所考察的陽(yáng)極底物電導(dǎo)率分別為9.71(CK)、9.67(M1)、9.79(M2)和9.77 mS/cm(M3)，運(yùn)行40 h后陽(yáng)極底物電導(dǎo)率變化為10.25 (CK)、9.98(M1)、10.23(M2)和10.22 mS/cm(M3)，由此可知，在陽(yáng)極底物中添加毫摩每升濃度量級(jí)的鎂離子并不會(huì)明顯影響溶液的電導(dǎo)率，且在產(chǎn)電過程中陽(yáng)極底物的電導(dǎo)率隨時(shí)間也并未發(fā)生明顯的改變.因此，陽(yáng)極產(chǎn)電性能的提高，主要來(lái)源于鎂離子對(duì)胞外電子傳遞過程與陽(yáng)極微生物電化學(xué)活性的影響.

2.2鎂離子對(duì)微生物燃料電池陽(yáng)極微生物電化學(xué)活性的影響

為確定鎂離子對(duì)陽(yáng)極微生物電化學(xué)活性的作用，進(jìn)行了周轉(zhuǎn)、非周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安法與電化學(xué)阻抗譜測(cè)量實(shí)驗(yàn).圖2為周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安曲線，各組曲線均呈S型，說(shuō)明葡萄糖底物在周轉(zhuǎn)的條件下被陽(yáng)極微生物催化氧化[17].同時(shí)，氧化峰電流分別為1.98(CK)、2.51(M1)、2.98(M2)和3.16 mA(M3)，即加入鎂離子提高了陽(yáng)極氧化峰電流，促進(jìn)了其電化學(xué)反應(yīng)活性.此外，非周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安法在各反應(yīng)器使用不含葡萄糖的陽(yáng)極底物饑餓運(yùn)行36 h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確保非周轉(zhuǎn)條件，測(cè)得的電壓-電流曲線如圖3.計(jì)算得M1、M2、M3氧化還原蛋白的表面覆蓋度分別為對(duì)照組的1.05、1.11及1.96倍.另外，利用非周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安曲線的表觀電位(氧化峰電位與還原峰電位的平均值)可以鑒定陽(yáng)極產(chǎn)電微生物表面電化學(xué)活性蛋白的種類[18].如Fricke等[19]測(cè)試了Geobactersulfurreducens陽(yáng)極的非周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安曲線，得到了表觀電位分別為-0.515、-0.376、-0.295和+0.059 V(vs. Ag/AgCl)的4個(gè)氧化還原體系，并指出不同表觀電位的氧化還原體系代表了不同的電化學(xué)過程.本研究中各反應(yīng)器陽(yáng)極均有表觀電位為-0.29 V(vs. Ag/AgCl)的氧化還原體系，M1、M2、M3的另一氧化還原體系表觀電位為-0.40 V，而對(duì)照組CK為-0.35 V.由此可知，在陽(yáng)極底物中加入鎂離子會(huì)影響參與電子傳遞相關(guān)蛋白的類型與途徑.

細(xì)胞內(nèi)鎂離子含量較高，因此，微生物對(duì)鎂離子的吸收需要特定的鎂運(yùn)輸?shù)鞍讌⑴c[20].Tai等[21]通過對(duì)希瓦氏菌全基因組進(jìn)行的生物信息學(xué)分析推測(cè)鎂傳遞蛋白編碼基因mgtE與電子傳遞途徑中起重要作用的OmcA、OmcB、MtrA、MtrB 4種蛋白存在共表達(dá)的作用，這表明鎂離子傳遞途徑與電子傳遞途徑可能存在重要的相互關(guān)聯(lián).微生物具有多種鎂傳遞體系，而mgtE鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白則較廣泛地分布于原核生物中，并被認(rèn)為是微生物傳遞鎂離子的主要機(jī)制之一[22].Dann等[23]證明鎂離子會(huì)調(diào)控mgtE基因的表達(dá)，因此，本研究中陽(yáng)極微生物和微生物燃料電池底物中鎂離子濃度的不同會(huì)影響鎂傳遞蛋白mgtE的表達(dá)，進(jìn)而通過共表達(dá)作用影響電子傳遞途徑相關(guān)蛋白的表達(dá)，使得陽(yáng)極隨鎂離子濃度的改變表現(xiàn)出不同的電化學(xué)活性.

圖2　周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安曲線

圖3　非周轉(zhuǎn)循環(huán)伏安曲線

為進(jìn)一步確定陽(yáng)極各電化學(xué)參數(shù)，進(jìn)行了電化學(xué)阻抗譜實(shí)驗(yàn)，圖4與表1分別為測(cè)得的能斯特圖與擬合得到的陽(yáng)極電化學(xué)參數(shù).對(duì)照組的電荷傳遞電阻最大為16.33 Ω，M3的電荷傳遞電阻最小為11.17 Ω，電荷傳遞電阻隨鎂離子濃度的提高而逐漸減小.電荷傳遞電阻由電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)決定[24]，其值越小說(shuō)明電極上的電子傳遞過程進(jìn)行越快，可知加入鎂離子可以促進(jìn)MFC陽(yáng)極電子傳遞.而陽(yáng)極雙電層電容則與電極上的產(chǎn)電微生物量有關(guān)[25]，M2的雙電層電容最大為3 371 μF，與M3相差不大，是M1的2.61倍、對(duì)照組的8.39倍.這說(shuō)明在陽(yáng)極底物中加入鎂離子一定程度上可以提高陽(yáng)極雙電層電容，即促進(jìn)產(chǎn)電微生物的富集，使陽(yáng)極表現(xiàn)出更高的電化學(xué)活性.而當(dāng)鎂離子濃度為2.0 mmol/L時(shí)，鎂離子已能滿足產(chǎn)電微生物的需求，進(jìn)一步提高其濃度產(chǎn)電微生物量并不會(huì)得到提高.加入鎂離子能夠使得MFC陽(yáng)極電荷傳遞電阻減小、雙電層電容增大，促進(jìn)了陽(yáng)極電子傳遞過程與產(chǎn)電微生物的富集.

圖4　電化學(xué)阻抗譜能斯特圖

實(shí)驗(yàn)組溶液歐姆電阻/Ω電荷傳遞電阻/Ω雙電層電容/μFCK4.4116.33401.4M13.5913.331292.0M22.0213.003371.0M32.1811.173004.0

2.3鎂離子對(duì)陽(yáng)極微生物膜形態(tài)與結(jié)構(gòu)的影響

圖5為陽(yáng)極碳刷的掃描電子顯微鏡圖像.各組陽(yáng)極碳刷表面均附著有較多微生物，但對(duì)照組陽(yáng)極碳刷微生物膜的覆蓋率較低，其他實(shí)驗(yàn)組陽(yáng)極微生物膜相對(duì)致密.進(jìn)而以蛋白質(zhì)含量比較各組陽(yáng)極總微生物量，測(cè)得的蛋白質(zhì)含量分別為0.220(CK)、0.243(M1)、0.266(M2)和0.292 mg/cm3(M3)，可知在陽(yáng)極底物中添加鎂離子可以提高陽(yáng)極附著的微生物總量，且變化趨勢(shì)與電鏡觀察及陽(yáng)極雙電層電容分析一致，鎂作為微生物生長(zhǎng)的必要元素，對(duì)其生長(zhǎng)繁殖有促進(jìn)作用，而陽(yáng)極微生物量的增加也是陽(yáng)極產(chǎn)電性能提高的原因之一.此外，在M3陽(yáng)極碳刷表面觀察到了大量的桿菌，其他各組則以球菌為主.電鏡分析結(jié)果表明，較高濃度鎂離子不僅會(huì)促進(jìn)微生物在陽(yáng)極碳刷上的附著能力還可能影響陽(yáng)極優(yōu)勢(shì)種群結(jié)構(gòu).

群落結(jié)構(gòu)測(cè)序得到陽(yáng)極微生物門水平結(jié)構(gòu)如圖6所示，各組陽(yáng)極微生物主要門類包括Proteobacteria、TM7及Bacteroidetes 3種，而在M3中，F(xiàn)irmicutes菌門的豐度也占優(yōu)(17.5%).Kim等[26]發(fā)現(xiàn)Firmicutes菌門豐度在雙室MFC隔膜較MFC其他部件高得多，F(xiàn)irmicutes菌門主要參與葡萄糖的降解，而不涉及產(chǎn)電過程.由于鎂離子在微生物代謝生長(zhǎng)中的重要作用，鎂離子濃度對(duì)產(chǎn)電與非產(chǎn)電微生物均會(huì)產(chǎn)生影響.在M3條件下，F(xiàn)irmicutes菌門代謝活性可能得到促進(jìn)，能夠更有效地競(jìng)爭(zhēng)底物中的葡萄糖，豐度提高.這一定程度上限制了產(chǎn)電微生物對(duì)于底物的利用，也使得將鎂離子濃度由2.0 mmol/L提高到5.0 mmol/L后，MFC陽(yáng)極微生物產(chǎn)電性能變化不大.M3豐度最高的菌目為Bacteroidales菌目(擬桿菌目)，為19.24%，而其在CK、M1、M2中的豐度分別為10.34%、11.56%、13.46%，可能為M3陽(yáng)極碳刷SEM圖像中觀察到的桿菌.在屬水平上，目前得到廣泛研究的產(chǎn)電模式菌屬包括Shewanella菌屬、Pseudomonas菌屬、Geobacter菌屬等[27].各組均檢測(cè)到產(chǎn)電菌屬Geobacter，且其豐度隨鎂離子濃度增加而提高，分別為0.60%(CK)、1.74%(M1)、3.89% (M2)、4.21%(M3)，產(chǎn)電微生物豐度的提高也是陽(yáng)極產(chǎn)電性能得到提高的直接原因.鈣作為微生物同樣所需的金屬元素，對(duì)MFC陽(yáng)極微生物也存在重要的影響作用.Lisa等[28]發(fā)現(xiàn)鈣離子會(huì)促進(jìn)ShewanellaoneidensisMR-1純菌的產(chǎn)電性能，而Liu等[29]指出在混菌MFC中加入鈣離子會(huì)使非產(chǎn)電菌成為陽(yáng)極生物膜中的優(yōu)勢(shì)菌群，使系統(tǒng)電流密度下降.本研究對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的分析表明，鎂離子對(duì)產(chǎn)電菌與非產(chǎn)電菌也均有不同程度的促進(jìn)作用，合理控制其濃度將有助于優(yōu)化陽(yáng)極微生物膜結(jié)構(gòu)，促進(jìn)產(chǎn)電性能的提高.

圖5　陽(yáng)極掃描電子顯微鏡圖像

1—Proteobacteria; 2—TM7; 3—Bacteroidates; 4—Firmicutes; 5—Synergistetes; 6—其他

圖6陽(yáng)極微生物群落門水平結(jié)構(gòu)

Fig.6Phylum frequency of anode microorganisms

3結(jié)論

1)在MFC陽(yáng)極底物中投加鎂離子可以降低陽(yáng)極電勢(shì)，并提高M(jìn)FC的功率密度.當(dāng)鎂離子濃度為5.0 mmol/L時(shí)，功率密度可達(dá)45.48 mW/m2，相比對(duì)照組提高了24.09%.

2)鎂離子會(huì)影響產(chǎn)電微生物電子傳遞過程并促進(jìn)產(chǎn)電相關(guān)蛋白的活性，提高鎂離子濃度可以顯著提高陽(yáng)極電容，降低電荷傳遞電阻，但當(dāng)鎂離子濃度高于2.0 mmol/L時(shí)，MFC陽(yáng)極的電化學(xué)活性基本不再提高.

3)鎂離子可以促進(jìn)微生物在MFC陽(yáng)極碳刷上形成更為致密的生物膜，并提高產(chǎn)電菌的豐度，其中Geobacter菌屬的豐度最高為對(duì)照組的7.02倍.同時(shí)，隨著鎂離子濃度的提高，部分非產(chǎn)電菌的豐度也會(huì)得到提高，其對(duì)于底物的競(jìng)爭(zhēng)可能是限制MFC產(chǎn)電性能得到進(jìn)一步提高的原因之一.

參考文獻(xiàn)

[1] 尹航,胡翔.不同陽(yáng)極微生物燃料電池產(chǎn)電性能的比較[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2013,7(2):608-612.

YIN Hang, HU Xiang. Comparison of power generation performance of different types of anodes in microbial fuel cells[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2013,7(2):608-612.

[2] 常定明,張海芹,盧智昊,等.金屬離子在微生物燃料電池中的行為[J].化學(xué)進(jìn)展,2014,26(7):1244-1254.

CHANG Dingming, ZHANG Haiqin, LU Zhihao, et al. Behavior of metal ions in microbial fuel cells[J]. Progress in Chemistry,2014,26(7):1244-1254.

[3] KUMAR G G, KIRUBAHARAN C J, UDHAYAKUMAR S, et al. Conductive polymer/graphene supported platinum nanoparticles as anode catalysts for the extended power generation of microbial fuel cells[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2014,53(43):16883-16893.

[4] KANG Haigang, ZHU Yihua, YANG Xiaoling, et al. Gold/mesoporous silica-fiber core-shell hybrid nanostructure: a potential electron transfer mediator in a bio-electrochemical system[J]. New Journal of Chemistry,2010,34(10):2166-2175.

[5] 牟姝君,李秀芬,任月萍,等.銅離子對(duì)雙室微生物燃料電池電能輸出的影響研究[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(7):2791-2797.

MU Shujun, LI Xiufen, REN Yueping, et al. Effect of Cu2+on the power output of dual-chamber microbial fuel cell[J]. Environmental Science,2014,35(7):2791-2797.

[6] 吳鋒,劉志,周奔,等.單室MFC型生物毒性傳感器對(duì)重金屬離子的檢測(cè)研究[J].環(huán)境科學(xué),2010,31(7):1596-1600.

WU Feng, LIU Zhi, ZHOU Ben, et al. The detection of heavy metal ions using single chamber MFC biological toxicity sensor[J]. Environmental Science,2010,31(7):1596-1600.

[7] WACKER W E. The biochemistry of magnesium[J]. Annals of the New York Academy of Sciences,1969,162(2):717-726.

[8] PAYANDEH J, PFOH R, PAI E F. The structure and regulation of magnesium selective ion channels[J]. Biochimica Et Biophysica Acta-Biomembranes,2013,1828(11): 2778-2792.

[9] KLEIN D J, MOORE P B, STEITZ T A. The contribution of metal ions to the structural stability of the large ribosomal subunit[J]. RNA,2004,10(9):1366-1379.

[10]WALKER G M. Magnesium and cell-cycle control-an update[J]. Magnesium,1986,5(1):9-23.

[11]LIU Hong, LOGAN B E. Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane[J]. Environmental Science & Technology,2004,38(14):4040-4046.

[12]LOGAN B, CHENG Shaoan, WATSON V, et al. Graphite fiber brush anodes for increased power production in air-cathode microbial fuel cells[J]. Environmental Science & Technology,2007,41(9):3341-3346.

[13]CHENG Shaoan, LIU Hong, LOGAN B E. Increased performance of single-chamber microbial fuel cells using an improved cathode structure[J]. Electrochemistry Communications,2006,8(3):489-494.

[14]ZHANG Guodong, WANG Kun, ZHAO Qingliang, et al. Effect of cathode types on long-term performance and anode bacterial communities in microbial fuel cells[J]. Bioresource Technology,2012,118:249-256.

[15]RUSLING J F, FORSTER R J. Electrochemical catalysis with redox polymer and polyion-protein films[J]. Journal of Colloid and Interface Science,2003,262(1):1-15.

[16]JAYAPRIYA J, RAMAMURTHY V. The role of electrode material in capturing power generated inPseudomonascatalysed fuel cells[J]. Canadian Journal of Chemical Engineering,2014,92(4):610-614.

[17]JADHAV D A, GHANGREKAR M M. Effective ammonium removal by anaerobic oxidation in microbial fuel cells[J]. Environmental Technology,2015,36(6):767-775.

[18]CARMONA-MARTINEZ A A, HARNISCH F, FITZGERALD L A, et al. Cyclic voltammetric analysis of the electron transfer ofShewanellaoneidensisMR-1 and nanofilament and cytochrome knock-out mutants[J]. Bioelectrochemistry,2011,81(2):74-80.

[19]FRICKE K, HARNISCH F, SCHROEDER U. On the use of cyclic voltammetry for the study of anodic electron transfer in microbial fuel cells[J]. Energy & Environmental Science,2008,1(1):144-147.

[20]MOOMAW A S, MAGUIRE M E. The unique nature of Mg2+channels[J]. Physiology,2008,23(5):275-285.

[21]TAI S K, WU G, YUAN S S, et.al. Genome-wide expression links the electron transfer pathway ofShewanellaoneidensisto chemotaxis[J]. BMC Genomics,2010,11:319.

[22]叢悅璽,駱東峰,陳坤明,等. 生物鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)體研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào),2012,20(7):837-848.

CONG Yuexi, LUO Dongfeng, CHEN Kunming, et al. The development of magnesium transport systems in organisms[J]. Journal of Agricultural Biotechnology,2012,20(7):837-848.

[23]DANN C E, WAKEMAN C A, SIELING C L, et al. Structure and mechanism of a metal-sensing regulatory RNA[J]. Cell,2007,130(5):878-892.

[24]HE Zhen, MANSFELD F. Exploring the use of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in microbial fuel cell studies[J]. Energy & Environmental Science,2009,2(2):215-219.

[25]LU Zhihao, GIRGUIS P, LIANG Peng, et al. Biological capacitance studies of anodes in microbial fuel cells using electrochemical impedance spectroscopy[J]. Bioprocess and Biosystems Engineering,2015,38(7):1325-1333.

[26]KIM G T, WEBSTER G, WIMPENNY J W T, et al. Bacterial community structure, compartmentalization and activity in a microbial fuel cell[J]. Journal of Applied Microbiology,2006,101(3):698-710.

[27]SHARMA V, KUNDU P P. Biocatalysts in microbial fuel cells[J]. Enzyme and Microbial Technology,2010,47(5):179-188.

[28]FITZGERALD L A, PETERSEN E R, GROSS B J, et al. Aggrandizing power output from Shewanella oneidensis MR-1 microbial fuel cells using calcium chloride[J]. Biosensors and Bioelectronics,2012,31(1):492-498.

[29]LIU Ting, CAI Xixi, DING Guochun, et al. Calcium-dependent electroactive biofilm structure and electricity generation in bioelectrochemical systems[J]. Journal of Power Sources,2015,294:516-521.

(編輯劉彤)

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.08.007

收稿日期:2016-03-22

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51378144，51206036)

作者簡(jiǎn)介:張偉賢(1993—)，男，碩士研究生; 趙慶良(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

通信作者:趙慶良，qlzhao@hit.edu.cn

中圖分類號(hào):TM911.45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)08-0042-06

Enhancement of electricity generation performance of microbial fuel cell anode microorganism by magnesium ion

ZHANG Weixian1, ZHAO Qingliang1,2, ZHANG Yunshu1, JIANG Junqiu1

(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;2.State Key Lab of Urban Water Resource and Environment(Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China)

Abstract:To investigate the effect of magnesium ion on the bulk performance of microbial fuel cell anode microorganism, analytical methods such as electrochemical measurement and high-throughput sequencing were applied to determine the potential promotion of magnesium on anode potential, electrochemical activity and anode microbial community structure under different ion concentrations were evaluated. With the magnesium ion concentration increased from 0.5 (M1) to 2.0 (M2) and further to 5.0 mmol/L (M3), the anode potential of microbial fuel cell was declined from -0.443(M1) (CK, vs. Ag/AgCl) to -0.469(M2) to -0.477 V (M3), respectively, in comparison with that of -0.417 V in control test. Accordingly, power density was enhanced from 36.65 mW/m2 (CK) to 40.19 mW/m2 (M1), 44.21 mW/m2 (M2) and 45.48 mW/m2 (M3). Furthermore, electrochemical activity and electricigen biomass were increased notably, indicating magnesium could enhance the power output of microbial fuel cell and played an important role in extracellular electron transfer.

Keywords:microbial fuel cell; microorganism; anode; magnesium ion; electricity production