第5章 胞外产电菌

LOGO第五章胞外产电菌李永峰教授第五章胞外产电菌5.1简介15.2电子转移的机制25.3细菌的形态结构与生理特点35.4群落分析45.5将MFC作为工具研究胞外产电菌55.6微生物驯化与鉴定65.7微生物电解池产氢与传统产氢方法的比较75.1简介对MFC而言，最令我们感兴趣的是一些细菌能向细胞外传递电子，我们把这些细菌叫做向细胞外直接转移电子的产电菌（exoelectrogens），以下简称“胞外产电菌”。“exo-”表示胞外的，且具有能将电子直接转化给化合物或间接电子受体的能力。5.2电子转移的机制5.2.1纳米导线5.2.2细胞-表面的电子传递5.2.3中介体5.2.1纳米导线Gorgy及其同事发现并报道了Geobacter和Shewanella菌属的导电附属物，他们将其称为细菌的“纳米导线”。使用传导隧道显微镜（STM），将样品放在一个高度规则的热解石墨表面（一个非常平的导电表面），在恒定电流成像的条件下，使用一个导电的（Pt-Ir）尖端横跨样品进行光栅扫描，从而检测附属物的电导率。最终获得的电压-电流曲线显示出扫描的部分与石墨表面之间具有导电性。5.2.2细胞-表面的电子传递纳米导线的存在并不意味着电子只能通过纳米线转移，细菌也可以在没有纳米导线生成的时候实现电子从细胞表面到铁或阳极的转移。5.2.3中介体化学中介体或电子中介体（shutle）经常被加入到MFC中，从而使细菌甚至酵母能传递电子。Rabaey和他的合作者发现，在MFC的培养基中电子中介体并不是必需的。这些自身产生的相关化合物，可以将电子转移到电极上，从而在MFC中产生电能。5.3细菌的形态结构与生理特点5.3.1产电微生物的定义15.3.2产电微生物的类别25.3.3MFC产电微生物的研究进展35.3.4微生物群落分析45.3.5MFC产电微生物的电子传递机制55.3.6电池的电化学性能表征65.3.7阳极微生物的形态及电化学活性表征75.3.1产电微生物的定义产电微生物特指把有机物氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到电极上产生电流，同时自身在电子传递过程中获得能量支持菌类的生长，又称为电活性微生物或电极呼吸微生物。表5.1MFC在产电过程中不同类型微生物的比较微生物种类库伦效率（%）是否独立存活是否需要外源性介体是否用于开放环境发酵微生物10否否是包含外源性介体的微生物10否是否Shewanella属33是否否产电微生物90是否是5.3.2产电微生物的类别1希瓦氏菌2铁还原红育菌3硫还原地杆菌4沼泽红假单胞菌5人苍白杆菌6铜绿假单胞菌7丁酸梭菌8其他产电菌种5.3.3MFC产电微生物的研究进展1234细菌类的产电微生物真菌类的产电微生物光合生物类的产电微生物微生物群落作产电微生物5.3.4微生物群落分析(1)165rRNA基因文库的构建和分析方法采用小量细菌DNA抽提试剂盒从电极提取基因组DNA。(2)变性梯度凝胶电泳(DGGE)采用BSF338/BSR534引物进行DGGE-PCR图谱的电泳。PCR扩增产物5.3.5MFC产电微生物的电子传递机制据研究发现产电微生物向阳极传递电子分2步走，第1步是电子在细胞内产生并向细胞表面传递；第2步是电子到达细胞表面后向MFC阳极传递。（1）由细胞内向细胞表面的电子传递一些产电微生物可依靠其膜上的脱氢酶直接氧化小分子的有机酸，释放电子给细胞膜上的电子载体，另一些产电微生物可氧化糖类等稍微复杂的有机物生成NADH，然后在NADH脱氢酶的作用下，电子从NADH转移至电子传递链，到达细胞表面的氧化还原蛋白。（2）由细胞表面向MFC阳极的电子传递产电微生物在细胞内氧化有机物产生的电子被传递至细胞表面后，被证实将会通过2种传递机制将电子传递到MFC阳极上，1种是电子穿梭机制；1种是生物膜机制。PCR扩增产物5.3.6电池的电化学性能表征在每个MFC上串联一个1kΩ电阻，电阻电压采用万用表测量，电路电流根据电阻电压计算得到，并换算成基于MFC阳极面积(45cm2)的电流密度。电池输出功率密度由输入电压及电流密度相乘得到。监测阳极电势时，参比电极是AgCl/Ag电极，对电极采用R电极。极化曲线实验在每次刺激后]2h进行，实验过程中分别连接10Ω至10000Ω的一系列负载电阻，每个电阻下稳定lh后测量电流及电阻电压。在测量开路电压之前，电路保持开路12h以达到稳态。5.3.7阳极微生物的形态及电化学活性表征1表征阳极生物膜的循环伏安曲线在CHI660电化学工作站上得到。在循环伏安测量过程中分别采用双电极和三电极体系。2电化学石英晶体微天平(EQCM)系统用来模拟微生物在电场中的电泳。3MFC阳极生物膜上的微生物形态采用日本SHIMAQZUSSX-550扫描电镜(SEM)表征。5.4群落分析5.4.1阴极室利用氧气的MFC15.4.2除氧气外的其他电子受体MFC25.4.3沉积物MFC35.4.4高温MFC45.4.1阴极室利用氧气的MFC以氧气为阴极电子受体的不同MFC中的微生物群落分析接种体底物群落江底沉积物（Phung等2004）葡萄糖+谷氨酸Alpha–占65%（主要是Actinobacteria），Beta–占21%，Gammaproteobacteria占3%，Bacteroidetes占8%，其他占3%江底沉积物（Phung等2004）江水Alpha–占11%，Beta–占46%（与Leptothrixspp.相关），Gamma–占13%，Deltaprotebacteria占13%，Bacteroidetes占9%，其他占8%海底沉积物（Logan等2005）半胱氨酸Gammaproteobacteria（40%ShewanellaaffinisKMM），然后是Vibriospp.和Pseudoalteromonasspp.废水（Lee等2003）乙酸Alpha–占24%，Beta–占7%，Gamma–占21%，Deltaproteobacteria占21%，其他占27%废水（Kim等2004；Methe等2003）淀粉未鉴定的细菌占36%，Beta–占25%，Alphaproteobacteria占20%，Cytophaga、Flexibacter、Bacterioides共占19%5.4.1阴极室利用氧气的MFC我们需要逐一比较MFC的构型（如沉积物、非沉积物、氧气、铁氰化钾和恒电位MFC），底物和接种物（沉积物、江水和废水细菌），从而更好地理解控制了MFC系统中生物群落的进化的因素。5.4.2除氧气外的其他电子受体MFC在以葡萄糖为底物、用铁氰化钾作阴极的MFC中，Rabaey等应用变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术，鉴定了生物膜中大量细菌的菌属。鉴定的序列分属于Firmicutes、Gamma–和Alphaproteobacteria。5.4.3沉积物MFC虽然沉积物MFC（SMFC）的阴极存在氧气，但此系统与其他MFC的根本区别在于样机上的细菌是与氧气完全隔绝的。5.4.4高温MFC少数研究者考察了正常实验室温度范围之外的MFC产电情况（温度达到36℃）。Choi等在一个MFC系统中检测出了两株嗜热菌株（Bacilluslicheniformis和B.thermoglucosidasius）。但是，其能量产生需要用到中介体，所以在这个实验中使用的菌株不属于胞外产电菌。高温下的一个问题是氧气的溶解度会随着温度的升高而降低。5.5将MFC作为工具研究胞外产电菌虽然研究MFC的主要目的是产电，但同时MFC也为科学家提供了一个研究胞外产电菌生态系统的有趣的新平台。当细菌降解不溶性金属时，其表面特征随时间而变化，同时，因为金属离子的氧化/还原相对浓度比例随时间的变化而变化导致了溶液化学性质变得更加复杂。然而在MFC中电极是不会被腐蚀的，允许生物膜在其上生长并成熟。5.6微生物驯化与鉴定5.6.15.6.25.6.35.6.4培养液COD负荷及外电路电流对驯化的影响电极材料对电池性能的影响外电路不同负载对电池性能的影响微生物分离纯化及鉴定混合微生物菌群的驯化及群落分析5.6.55.6.1培养液COD负荷及外电路电流对驯化的影响活性污泥在新的培养体系下很难承受过大COD负荷的冲击，从而导致其微生物细菌代谢发生异常，抑制细菌代谢的正常进行，使产电菌部分失活。不同COD负荷对电池性能的影响5.6.1培养液COD负荷及外电路电流对驯化的影响在初始阶段分别采用恒电流放电和恒电阻放电进行活性污泥的驯化，分别得到可两组电池性能指标外电路电流对电池性能的影响5.6.2电极材料对电池性能的影响以20%PTFE石墨膜为阳极材料所组装的电池在开路条件下阳极电势最负，且稳定时间最长恒阻放电时其阳极电势也为最负，并且此时外电路电流最大，阳极极化较小，所以其阳极性能最好。电极材料对电池性能的影响5.6.3外电路不同负载对电池性能的影响驯化到出现明显放电现象过程中，负载不同电阻的阳极电势变化。驯化阶段不同负载的阳极电势不同负载下电池的能量密度随电流变化的关系图5.6.4微生物分离纯化及鉴定厌氧操作箱示意图液体厌氧培养用到的主要工具5.6.4微生物分离纯化及鉴定固体厌氧培养装置单菌落形态特征5.6.5混合微生物菌群的驯化及群落分析近年来的研究结果表明，直接用来自天然厌氧环境的混合菌接种MFC，可以使电流输出成倍增加，且在阳极表面富集了优势微生物菌属。不同的微生物存在多种电子传递方式和条件，利用混合菌群接种，可以发挥菌群间的协同作用，增加MFC运行的稳定性，提高系统的产电效率。海底沉积物和厌氧活性污泥中菌群都极为丰富，包括大量具有电化学活性的微生物。5.7微生物电解池产氢与传统产氢方法的比较微生物电解池产氢传统产氢利用MEC技术理论上来说制得的氢气的纯度与采用水的电解方法是相当，而其所消耗的电量则要低得多。一般碱性电解池在1.8~2.0V的电压下电解水制氢。而在MEC中电压只要高于0.22V就可以实现产氢。水的电解制氢法是一项传统的工艺，制得的氢气的纯度可达99.9%，但是此工艺只适用于水力资源丰富地区，并且耗电量较大，在经济上尚不具备竞争优势。而风能、太阳能等，都是先发电，再用电解工艺制氢。LOGO