第5章 胞外产电菌

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5.3 细菌的形态结构与生理特点
1
5.3.1 产电微生物的定义 5.3.2产电微生物的类别 5.3.3 MFC产电微生物的研究进展 5.3.4微生物群落分析 5.3.5 MFC 产电微生物的电子传递机制 5.3.6电池的电化学性能表征 5.3.7阳极微生物的形态及电化学活性表征
2
3 4 5 6 7
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。
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
5.4 群落分析
1
2 3
5.4.1阴极室利用氧气的MFC
5.4.2除氧气外的其他电子受体MFC
5.4.3沉积物MFC
4
5.4.4高温MFC
5.4.1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 江底沉积物 （Phung等2004） 底 物 葡萄糖+ 谷氨酸 群 落 Alpha –占65%（主要是Actinobacteria），Beta –占21%， Gammaproteobacteria占3%，Bacteroidetes占8%，其他占3%
5.6 微生物驯化与鉴定
5.6.1
5.6.2
5.6.3
5.6.4
5.6.5
电极材料 培养液 对电池性 COD负 荷及外电 能的影响 路电流对 驯化的影 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
5.6.1培养液COD负荷及外电路电流对驯化的影响
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。
江底沉积物 （Phung等2004）
江水
Alpha –占11%，Beta –占46%（与Leptothrix spp.相关）， Gamma –占13%，Deltaprotebacteria占13%，Bacteroidetes占 9%，其他占8% Gammaproteobacteria（40%Shewanella affinis KMM），然后 是Vibrio spp. 和Pseudoalteromonas spp. Alpha–占24%，Beta–占7%，Gamma–占21%， Deltaproteobacteria占21%，其他占27% 未鉴定的细菌占36%，Beta–占25%，Alphaproteobacteria占 20%，Cytophaga、Flexibacter、Bacterioides共占19%
第五章
胞外产电菌
李永峰 教授
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第五章 胞外产电菌
1
5.1 简介 5.2 电子转移的机制 5.3 细菌的形态结构与生理特点 5.4 群来自百度文库分析 5.5 将MFC作为工具研究胞外产电菌 5.6 微生物驯化与鉴定 5.7微生物电解池产氢与传统产氢方法的比较
2
3 4 5 6 7
5.1
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。
5.3.7 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 CHI 660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。
3
MFC阳极生物膜上 的微生物形态采用 日本 SHIMAQZU SSX-550扫描电 镜(SEM)表征。
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（Bacillus licheniformis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。
其 他 产 电 菌 种
5.3.3
MFC产电微生物的研究进展
1
细 菌 类 的 产 电 微 生 物
2
3
光 合 生 物 类 的 产 电 微 生 物
4
微 生 物 群 落 作 产 电 微 生 物
真 菌 类 的 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。
5.3.1
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 5.1 MFC 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
5.3.6电池的电化学性能表征
在每个MFC上串联一个1 kΩ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(45 cm2)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。
5.4.2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
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1.8~2.0 V的电压 下电解水制氢。而在 MEC中电压只要高 于0.22 V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。
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
海底沉积物 （Logan等2005） 废水 （Lee等2003）
半胱氨酸
乙酸
废水 淀粉 （Kim等2004；Methe等2003）
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。
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
2 3
4
5
6
7
8
希 瓦 氏
铁 还 原 红 育 菌
硫 还 原 地 杆 菌
菌
沼 泽 红 假 单 胞 菌
人 苍 白 杆 菌
铜 绿 假 单 胞 菌
丁 酸 梭 菌
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。
(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
5.3.5
MFC 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。 PCR扩增产物 （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。
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