植物沉积型微生物燃料电池的基础研究

植物沉积型微生物燃料电池的基础研究
吴夏芫;宋天顺;朱旭君;周楚新;韦萍
【摘要】以湿地植物仙羽蔓绿绒构建植物沉积型微生物燃料电池(Plant-SMFC),分别考察阳极不同驯化方式及电极材料对电池基础特性的影响.结果表明:Plant-SMFC以阳极协同驯化方式富集产电菌时,电池启动期较自然驯化方式缩短了3d,产电水平亦明显提高,最大输出功率密度(2.84 mW/m2)为自然驯化方式的3.2倍,且该驯化方式对植物生长影响不大;活性炭纤维毡作为阳极电极材料效果优于石墨毡,电池启动期缩短了8d,最大输出功率密度(5.78 mW/m2)提高了1倍,同时更利于植物的生长繁殖,运行60 d后收获植物干质量为2.5g;高效液相色谱(HPLC)分析证明仙羽蔓绿绒根系分泌物中有机酸主要为顺丁烯二酸、反丁烯二酸、柠檬酸等小分子有机酸,它们均易被阳极产电菌利用以维持电池的稳定产电.
【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(035)006
【总页数】6页(P91-96)
【关键词】沉积型微生物燃料电池;驯化;阳极材料;根系分泌物
【作者】吴夏芫;宋天顺;朱旭君;周楚新;韦萍
【作者单位】南京工业大学生物与制药工程学院国际微生物能源研究所,江苏南京210009;南京工业大学生物与制药工程学院国际微生物能源研究所,江苏南京210009;南京农业大学园艺学院,江苏南京 210095;南京工业大学生物与制药工程学院国际微生物能源研究所,江苏南京 210009;南京工业大学生物与制药工程学院国际微生物能源研究所,江苏南京 210009
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.45
目前，全球正面临严重的能源及环境危机，这要求人类社会加速开发洁净高效的可再生能源新技术［1］。

微生物燃料电池(MFC)利用微生物将废水中有机物的化学
能转化为电能，既净化了污水又获得了能量，是一种新型的能源与环境治理技术［2－3］。

沉积型微生物燃料电池(SMFC)作为微生物燃料电池的一种，多应用于自然环境中，因其反应器结构简单，更接近于实际应用［4－5］，所以更
具开发价值［6］，但 SMFC 中存在的阳极有机物传质限制问题［6－8］导致其
产电水平及持久性得不到有效提高。

基于植物光合作用的特点，在SMFC中加入
植物进行原位协同产电［9－10］，其原理:将阴极材料位于上层好氧的水相中，阳极材料放置于土壤中，阳极附近的产电菌可以氧化分解植物光合作用并通过根系所释放的有机物。

De Schamphelaire等［9］的实验证明这种植物－沉积型微生物
燃料电池(Plant-SMFC)利用植物根系分泌的有机物，比不种植物的SMFC功率密度输出提高了7倍，而且并不破坏生物质(植物)本身，避免了生物质的运输以及生态系统中营养源的缺失，是一种不会与现行的粮食生产相竞争的新型生物能源方法，并可有效地改进SMFC中存在的有机物传质问题。

目前，国内外Plant-SMFC的研究均处于起步阶段，而影响电池性能的阳极产电
菌的驯化方式及电极材料还少有研究报道。

因此，本文以湿地植物仙羽蔓绿绒构建Plant-SMFC，分别考察阳极产电菌的驯化方式及阳极电极材料对Plant-SMFC产电及植物生长等基础特性的影响，以期为Plant-SMFC的实用化奠定理论依据。

1 材料与方法
1.1 实验植物及培养基
实验所选植物为仙羽蔓绿绒(Philodendron cv.Xanadu)俗称“小天使”，天南星
科蔓绿绒属，是小型多年生直立草本。

实验时将购买的仙羽蔓绿绒从花盆中取出，挑选出叶片、根系生长状况相近的植株，用自来水将根部的泥土洗净后吸水纸吸干水分，之后对每株植物主根数量及长度、主茎数量及长度、叶片数量及叶片长宽进行测定并称其鲜质量，实验结束后将植株从电池下层沉积物中取出洗净，再对植株根、茎、叶相关参数进行测定并称其鲜质量，之后将植物地上部分与地下部分进行分割并分别称其鲜质量和干质量。

电池运行时所用植物培养基为1/2改良霍格兰氏培养液+10 mmol/L磷酸盐缓冲液，具体配方:Ca(NO3)2·4H2O 472.5 mg/L，KNO3253 mg/L，(NH4)3PO340 mg/L，KH2PO368 mg/L，MgSO4 246.5 mg/L，铁盐溶液(FeSO4·7H2O 5
560 mg/L，乙二胺四乙酸二钠 7 460 mg/L)1.25 mL，NaH2PO3·H2O 490.4
mg/L，Na2HPO3915.2 mg/L，pH=7.0。

1.2 实验装置及运行条件
实验装置如图1所示，1 L量杯容器下层泥土区(高度8 cm，取自南京市玄武湖林地土壤)为阳极厌氧区域，阳极电极(228.5 cm2)呈圈式包围植物根系并埋于土壤中，上层水相(高度3.6 cm)为阴极好氧区域，阴极电极(114.2 cm2)悬浮于好氧水面，阴阳极由导线连接，外电阻为1 000 Ω，每个电池所需培养基550 mL，实验所选植物如图1所示栽种于阳极土壤中。

图1 植物沉积型微生物燃料电池体系Fig.1 Systematic diagram of Plant-SMFC Plant-SMFC构建好后，将其放置于室温(20℃)下运行，光照强度2 700 lux，光
暗周期10 h 14 min，电池运行过程中隔1 d补充蒸馏水至原水位处，以防止正常的水汽蒸发流失。

1.3 分析方法及主要设备
电压(U)每隔10 min由数据采集器(Keithley 2700，美国Keithley仪器公司)自动
采集保存。

功率密度P=UI/A(A为阳极有效面积，I为电流)。

表观内阻利用稳态放电法测试。

植物各参数相对生长速率(RGR)计算方法为(ln W2－ln W1)/t，其中，W2为实验结束时植物各参数(主根数量、主根总长、主茎数量、主茎总长、叶片数量、叶片
总面积、鲜质量)的值，W1为实验开始时植物各参数(主根数量、主根总长、主茎数量、主茎总长、叶片数量、叶片总面积、鲜质量)的值，t为实验天数。

根系分泌物分析。

将植物根系用自来水洗净，再用去离子水冲洗3遍，将植物根
系放入50 mL灭菌去离子水中光照培养4 h后取出植株，立即向收集液中添加羧
苄青霉素、四环素、氯霉素、卡那霉素各10 mg/L，以防止微生物对根分泌物的
分解，将溶液(置于－20℃冰箱保存)用真空旋转蒸发仪在40℃下浓缩至5 mL，过滤(0.45 μm 滤膜)后，在岛津高效液相色谱仪(LC-20AT，色谱柱:SC1011)上测定
有机酸的种类和数量。

有机酸的定性。

采用2种方法对植物根系分泌物中的有机酸种类进行定性。

①在
相同色谱条件下，将有机酸标准液色谱图与样品色谱图进行对照，根据保留时间(TR)确定样品中的有机酸种类;②通过往样品中加入有机酸标准液，根据峰高的突
增进一步验证色谱峰的归属。

电极扫描电子显微镜(LEO 1530VP，德国里奥电镜有限公司)观察。

① 样品经2.5%戊二醛(pH=6.8)固定;②0.1 mol/L H3PO4缓冲溶液(pH 6.8)冲洗;③ 依次放入50%、70%、80%、90%的乙醇溶液脱水;④最后样品于Cu靶上喷金(Giko IB-5
型离子溅射镀膜仪)后扫描电子显微镜(SEM)观察表面形貌。

1.4 实验考察内容
阳极驯化方式考察:以石墨毡为阴阳极电极材料，考察了阳极产电菌的自然驯化(利用土壤中土著微生物进行产电菌的自然富集)和协同驯化(通过向阳极区添加富含产
电菌的长期运行MFC的阳极出水进行产电菌的强化富集)对Plant-SMFC产电及
植物生长的影响。

阳极电极材料考察:在阳极驯化方式优化的基础上，以石墨毡为阴极电极材料，考
察了石墨毡(GF，比表面积60 m2/g，厚3 mm，上海骐杰碳素材料有限公司)和
活性炭纤维毡(AGFF，比表面积1 200 m2/g，厚2 mm，南通贝尔吉活性炭纤维有限公司)为阳极电极材料时对Plant-SMFC产电及植物生长的影响。

2 结果与讨论
2.1 不同阳极驯化方式的影响
产电菌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生长的菌类［11－12］。

目前，自然条
件中分离到的产电菌主要是变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)的
细菌，主要包括希瓦氏菌［13］、铁还原红育菌［14］、硫还原地杆菌［15］、沼泽红假单胞菌［16］、人苍白杆菌［17］、铜绿假单胞菌［18］和丁酸梭菌［19］等。

因为SMFC多应用于自然界中，所以通常不额外向阳极区添加产电菌，而是依靠本身沉积物中已存在的土著微生物在电池运行过程中进行阳极上产电菌的自然富集［20］，这种自然驯化方式下电池启动期较长。

为了加速Plant-SMFC
的启动，使其更快进行产电输出，De Schamphelaire等［9］在运行Plant-SMFC时向阳极区添加了富含产电菌的MFC，阳极出水，但这种强化富集与自然
富集驯化方式的比较以及对植物生长的影响并未得到研究。

2.1.1 产电情况
如图2所示为自然驯化和协同驯化下Plant-SMFC的电压输出情况。

由图2可知:自然驯化电池产电延滞期较长，电池运行20 d后输出电压趋于稳定，平均电压为128.1 mV，最大输出功率密度为0.89 mW/m2;而协同驯化电池产电延滞期明显
缩短，电池运行17 d后输出电压稳定在平均231.1 mV，最大输出功率密度为
2.84 mW/m2，分别为自然驯化组的1.8倍和
3.2倍;比较2种驯化方式下的输出电压情况可得，向电池阳极区添加产电菌液进行强化富集能更快地启动Plant-SMFC，延滞期缩短了3 d，输出电压水平也有了明显的提高，而两者的产电趋势相对一致，分析原因为协同驯化时添加的阳极出水中富含产电稳定的产电菌，因此阳极能较快较多地富集上产电菌进行产电，所以产电延滞期缩短，产电水平提高;而自然驯化时阳极区土壤土著微生物群落中产电菌并不占优势，甚至可能只有极少一部分产电菌，因此必须在电池环境体系中进行缓慢驯化才能在阳极电极上富集产电菌产电，因此产电延滞期较长，产电水平较低。

2.1.2 植物生长情况
图2 阳极驯化方式对输出电压的影响Fig.2 Effects of anodic acclimation on output voltage
如图3所示，在各电池运行60 d后，植物均有一定程度的生长。

比较2种驯化方式下植物的生长情况可知，自然驯化组的植物生长略优于协同驯化组，各参数RGR均比协同驯化组略高，但差异并不明显;自然驯化组鲜质量及干质量根冠比分别为1.2、1.4，最后收获植物干质量为2.4 g。

而协同驯化组鲜质量及干质量根冠比分别为0.97、1.0，最后收获植物干质量为2.1 g;推测协同驯化时添加的产电菌液在初期会影响原植物根系周围微生物的群落结构，导致植物的生长受到一定的影响，但认为随着电池的长期运行，待植物根系周围微生物群落稳定后，这种生长影响会渐渐削弱，最终植物能适应该微生物环境体系。

2.2 不同阳极电极材料的影响
2.2.1 产电情况
图4所示，石墨毡组在运行17 d后电压达241.7 mV，之后电压稳定在约231.1 mV处，最大输出功率密度为2.85 mW/m2;而活性炭纤维毡组在运行9 d后电压即达到351.4 mV，之后电压稳定在约346.3 mV处，最大输出功率密度为5.78
mW/m2。

比较可得，采用活性炭纤维毡作为阳极材料电池输出电压能较快达到稳定，比石墨毡组启动期缩短了8 d，产电水平也有了明显的提高，最大输出功率密度为石墨毡组的2.0倍;经过对这2种阳极材料进行SEM形貌观察可知，如图5(a)所示，活性炭纤维毡表面粗糙，比表面积较大(1 200 m2/g)，因此较易吸附产电
菌及有机物，使得电池产电延滞期较短，输出电压水平较高，而石墨毡表面则较光滑，如图5(b)所示，比表面积较小(60 m2/g)，因此吸附产电菌及有机物能力稍弱，导致电池产电性能较差。

图3 不同驯化方式下植物各参数RGR比较Fig.3 Comparison of plant RGR with different acclimation
图4 阳极电极材料对输出电压的影响Fig.4 Effects of anode materials on output voltage
2.2.2 植物生长情况
图5 活性炭纤维毡及石墨毡SEM照片Fig.5 SEM images of ACFF and GF
如图6所示，在各电池运行60 d后，活性炭纤维毡组植物主根数量、主根总长及鲜质量的RGR均比石墨毡组高，尤其是主根总长及鲜质量分别为石墨毡组的4.5
倍和1.4倍，而主茎总长及叶片总面积则比石墨毡组略低;活性炭纤维毡组鲜质量
及干质量根冠比均为1，最后收获植物干质量为2.5 g，而石墨毡组鲜质量及干质
量根冠比分别为0.95、0.97，最后收获植物干质量为1.9 g;比较可得，活性炭纤
维毡作为阳极电极材料时，因为质地较轻薄更有利于植物根部的呼吸及生长，因此主根数量及长度均比石墨毡作为电极材料时高，而石墨毡相对来说质地过于厚实，对植物根部的生长有明显的束缚作用，但对于植物地上部分的茎叶生长无影响，综合比较，使用活性炭纤维毡作为阳极电极材料时效果更优。

图6 不同阳极材料时植物各参数RGR比较Fig.6 Comparison of plant RGR with different anode materials
2.3 植物根系分泌物分析
根系分泌物是植物在生长过程中通过根系的不同部位向生长基质(如土壤、营养液等)中溢泌和分泌的一组种类繁多的物质［21］。

其中，小分子有机酸是根系分泌物的主要成分，它是具有1至数个羧基的小分子碳水化合物。

常见的主要有柠檬酸、酒石酸、马来酸、苹果酸、甲酸、乙酸、草酸、琥珀酸、富马酸和丙酸等。

根系分泌物占植物光合作用产物的20%～40%，是根际土壤微生物营养和能量的重要来源［22］。

不同的根系分泌物使得土壤中富集的根际微生物不尽相同，而根际微生物可以通过改变植物体内生理生化过程反过来影响根系分泌物的种类和数量［23］。

因此分析植物根系分泌物对了解Plant-SMFC的产电机制有重要意义。

图7为实验植物仙羽蔓绿绒根系分泌物的有机酸高效液相色谱图(HPLC)，通过有机酸定性试验可鉴定仙羽蔓绿绒分泌的有机酸主要包括顺丁烯二酸、反丁烯二酸、柠檬酸、苹果酸和乙酸等，其中顺丁烯二酸含量较多，大约占到总有机酸含量的52.9%，其次是反丁烯二酸和柠檬酸，分别占总有机酸含量的27%和11.2%。

研究证明单羧酸、二羧酸及三羧酸均能被阳极产电菌氧化分解用于产电［24］，这包括常见的根系分泌物如:甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、丙酮酸、丙二酸、草酸、琥珀酸、柠檬酸、苹果酸、富马酸等，并且输出电能的大小不仅与有机酸种类有关还受pH的影响，其中乳酸或柠檬酸使得电能输出更大，因此Plant-SMFC 构建中植物的筛选可以基于此特点进行。

由此也可知本实验中植物根系分泌的小分子有机酸作为根系周围产电菌的有机底物而被氧化释放电子，使得电池最终产电水平趋于稳定，而有机酸种类及含量对产电水平的影响还有待进一步研究。

图7 植物根系分泌物有机酸HPLC图谱Fig.7 HPLC of organic acids excreted from plant roots
3 结论
1)Plant-SMFC以阳极协同驯化方式富集产电菌时更利于电池的快速启动，较自然
驯化方式缩短了3 d，产电水平也有明显的提高，最大输出功率密度为自然驯化方式的3.2倍，并且该种驯化方式对植物生长影响不大。

2)Plant-SMFC以活性炭纤维毡作为阳极电极材料效果优于石墨毡电极材料，电池启动期缩短了8 d，最大输出功率密度提高了1倍，同时更利于植物的生长繁殖，运行60 d后收获植物干质量为2.5 g。

3)利用HPLC鉴定了湿地植物仙羽蔓绿绒根系分泌物中有机酸主要为顺丁烯二酸、反丁烯二酸、柠檬酸等小分子有机酸，它们均易被阳极产电菌利用，以维持电池的稳定产电。

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