專利名稱：產(chǎn)氣腸桿菌在微生物發(fā)電方面的應(yīng)用及其發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境與新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及產(chǎn)氣腸桿菌在微生 物發(fā)電方面的應(yīng)用，以產(chǎn)氣腸桿菌為陽極催化劑產(chǎn)生電能的發(fā)電方 法。
背景技術(shù)：
能源耗竭與有機廢棄物處置是當(dāng)今世界面臨的兩大難題。 一方 面，化石燃料耗竭與全球氣候變暖問題的日益嚴(yán)峻，迫使世界各國高 度重視能源問題，可再生新能源的研發(fā)勢在必行。構(gòu)建穩(wěn)定多樣的能 源系統(tǒng)，已成為國家戰(zhàn)略安全與可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。另一方 面，如何處理數(shù)量日益龐大的有機廢棄物，已成為嚴(yán)重的社會問題， 有機廢棄物資源或能源化利用的重要性也日益顯現(xiàn)。
微生物燃料電池(Microbial Full Cell, MFC)是利用產(chǎn)電微生物 作為陽極催化劑將有機物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。同常規(guī)燃料 電池相比，MFC以微生物代替昂貴的化學(xué)催化劑，具有更多優(yōu)點1) 操作條件溫和。在常溫、常壓下運行；2)無需為防止催化劑中毒提 純?nèi)剂希?)環(huán)境友好；4)能量轉(zhuǎn)化率高；5)生物相容性好；6)原 料來源更廣泛。理論上，所有可生物降解的有機物均可作為MFC的 燃料，可生物降解的有機物包括有機廢水、人畜糞便、廚余垃圾等等 有機廢棄物，MFC可在處置有機廢物的同時產(chǎn)生清潔電力。
產(chǎn)電微生物作為MFC的陽極催化劑，氧化有機物并還原陽極(即
3向陽極傳遞電子)的速率是影響MFC輸出功率密度的最重要因素。 因此，產(chǎn)電微生物是MFC的核心。目前，已發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)電微生物有十 多株，主要集中在希瓦氏菌屬(幼ew朋eZ/a)與地桿菌屬(Geo&flcfer)。 但是作為MFC陽極催化劑，它們存在一定缺陷1)屬于嚴(yán)格厭氧 菌，氧氣的存在會使其失活或喪失產(chǎn)電活性，不利于菌株大規(guī)模培養(yǎng) 與實際應(yīng)用；2)多數(shù)菌株的燃料利用譜較窄，只能利用乙酸、乳酸 等小分子量有機酸作為電子供體(即燃料)產(chǎn)電。當(dāng)以碳水化合物或 其它復(fù)雜有機物作為燃料時，需要首先利用發(fā)酵性細(xì)菌將其降解為簡 單有機酸，才能產(chǎn)電。
產(chǎn)氣腸桿菌是自然界中廣泛存在的兼性厭氧菌，公開號為 CN101096645發(fā)明專利申請中公開了一株具有鐵還原活性、兼性厭 氧、電子供體利用譜較廣的產(chǎn)氣腸桿菌。經(jīng)文獻和專利檢索，尚未發(fā) 現(xiàn)關(guān)于產(chǎn)氣腸桿菌具有產(chǎn)電活性的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供產(chǎn)氣腸桿菌 在微生物發(fā)電方面的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一個目的是提供所述產(chǎn)氣腸桿菌應(yīng)用于微生物發(fā)電 時的發(fā)電方法。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來予以實現(xiàn)
提供一種產(chǎn)氣腸桿菌作為微生物燃料電池的陽極催化劑在微生 物發(fā)電方面的應(yīng)用。
產(chǎn)氣腸桿菌燃料利用譜較寬、兼性厭氧，其特征為短桿狀，尺寸范圍為1.0 1.7x0.6 0.8Mm,菌落呈白色或黃色，兼性厭氧，厭氧 環(huán)境下能以陽極為電子受體，氧化檸檬酸、丙三醇、葡萄糖、蔗糖、 淀粉等多種有機物。利用其作為陽極催化劑構(gòu)建的微生物燃料電池， 電子回收率高達(dá)42 83%。該菌株命名為￡>ife^7acfer "eragew&y XM02，于2007年3月12日在中國微生物菌種保藏管理委員會普通 微生物中心保藏，編號為CGMCC 1969，同時已在公開號為 CN101096645發(fā)明專利申請中公開。
本發(fā)明同時提供了所述產(chǎn)氣腸桿菌在應(yīng)用于微生物發(fā)電時的產(chǎn)
電方法，具體包括以下步驟
(1) 構(gòu)建微生物燃料電池；
(2) 制備產(chǎn)氣腸桿菌菌體作為微生物燃料電池接種物；
(3) 制備含燃料的陽極液；
(4) 將產(chǎn)氣腸桿菌接種物和配制好的陽極液加入微生物燃料電 池陽極室中，靜置培養(yǎng)后進行產(chǎn)電檢測。
步驟(2)所述制備產(chǎn)氣腸桿菌菌體細(xì)胞是從保存產(chǎn)氣腸桿菌 XM02的斜面接種至常規(guī)LB液體培養(yǎng)基中，于30°C 、 200轉(zhuǎn)/分條件 下?lián)u床活化菌體16小時，達(dá)到指數(shù)生長期后停止培養(yǎng)，菌液在4°C 下8000轉(zhuǎn)/分高速離心10分鐘，用0.85%的無菌生理鹽水洗滌2次， 重新懸浮于0.85%的無菌生理鹽水制備得到接種物。
所述常規(guī)LB液體培養(yǎng)基成分為酵母浸膏5g，胰蛋白胨10g， NaC15g，水1000mL， PH7.2 7.6。
所述產(chǎn)氣腸桿菌的接種數(shù)量為每升陽極液105 107個菌體細(xì)胞，陽極液中可作為電子供體的燃料是檸檬酸、丙三醇、葡萄糖、蔗糖或 淀粉等。
作為本實施例的優(yōu)選方案，所述陽極液的配制包括以下步驟 (一)按照以下配比配制A液
去離子水880毫升;
磷酸氫二鈉13.20克；
磷酸二氫鈉2.83克；
氯化銨0.28克；
氯化鉀0.11克；
氯化鈉6.43克；
微量元素溶液IO毫升；
維生素溶液10毫升；
其中，所述的微量元素溶液按照以下配比配制:
去離子水1000毫升;
乙二胺四乙酸鈉1.5克；
七水硫酸鎂3.0克；
一水硫酸錳0.5克；
氯化鈉1.0克；
七水硫酸鐵0.1克；
六水氯化鈷0.1克；
氯化鈣0.1克；
七水硫酸鋅0.1克；
6五水硫酸銅 0.1克；
十二水硫酸鋁鉀 0.01克；
硼酸 0.01克；
二水鉬酸鈉 0.01克； 所述的維生素溶液按照以下配比配制:
生物素 2.0毫克；
葉酸 2.0毫克；
鹽酸維生素B6 10.0毫克；
鹽酸硫胺素 5.0毫克；
核黃素 5.0毫克；
煙酸 5.0毫克；
泛酸鈣 5.0毫克；
維生素Bu 0.1毫克；
磷氨基苯酸 5.0毫克；
硫辛酸 5.0毫克；
(二) 去離子水中加入燃料配制B液；
例如在100毫升去離子水中加入3克葡萄糖，或者加入0.18克 葡萄糖，或0.36克麥芽糖，或0.34克蔗糖，或3克淀粉，等等，配 制不同的B液。
(三) 將A液、B液分別滅菌，冷卻后混合即得陽極液。 本發(fā)明同時提供了利用產(chǎn)氣腸桿菌為陽極催化劑的微生物燃料
電池，包括陽極、陽極室、陰極和交換膜，以導(dǎo)線連接陰、陽兩極形成外電路，陽極室內(nèi)裝入產(chǎn)氣腸桿菌菌體細(xì)胞和含有燃料的陽極液， 密封；所述陽極采用普通碳?xì)郑鲫帢O采用鍍鉑碳紙。其產(chǎn)電原理 為有機物作為燃料在厭氧陽極室中被產(chǎn)氣腸桿菌氧化，產(chǎn)生電子與 質(zhì)子，其中，電子被產(chǎn)氣腸桿菌捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外 電路到達(dá)陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過交換膜到達(dá)陰極， 與氧反應(yīng)生成水。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果
(1) 利用產(chǎn)氣腸桿菌XM02作為微生物燃料電池的陽極催化 劑，此菌屬于兼性厭氧菌，易于培養(yǎng)，在氧氣存在條件下不會失活， 可通過定期加入培養(yǎng)基質(zhì)，長期維持其產(chǎn)電活性，運行成本較低。
(2) 產(chǎn)氣腸桿菌XM02的燃料利用譜較廣，能利用擰檬酸、丙 三醇、葡萄糖、蔗糖、淀粉等多種有機物產(chǎn)電，有機物氧化徹底，電 子回收率較高。
(3) 本發(fā)明為產(chǎn)氣腸桿菌開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域，為MFC提供了 一種新的適用性更強的產(chǎn)電微生物。


圖1以產(chǎn)氣腸桿菌為陽極催化劑的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)原理圖
圖2產(chǎn)氣腸桿菌產(chǎn)電活性圖
圖3產(chǎn)氣腸桿菌利用葡萄糖為燃料產(chǎn)電情況
圖4產(chǎn)氣腸桿菌利用麥芽糖為燃料產(chǎn)電情況
圖5產(chǎn)氣腸桿菌利用蔗糖為燃料產(chǎn)電情況
圖6產(chǎn)氣腸桿菌利用淀粉為燃料產(chǎn)電情況
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例來進一步詳細(xì)說明本發(fā)明。 實施例1產(chǎn)氣腸桿菌產(chǎn)電活性驗證
(1) 構(gòu)建微生物燃料電池 本實施例按照現(xiàn)有技術(shù)和方法構(gòu)建了利用產(chǎn)氣腸桿菌發(fā)電的微
生物燃料電池，如附圖1所示，包括陽極室、陰極室、交換膜及外電 路四部分。以普通碳?xì)譃殛枠O電極，以鍍鉑碳紙作為陰極電極，以導(dǎo) 線連接陰、陽兩極。
(2) 從保存產(chǎn)氣腸桿菌XM02的斜面接種至常規(guī)LB液體培養(yǎng) 基中，于3(TC、 200轉(zhuǎn)/分條件下?lián)u床活化菌體16小時，達(dá)到指數(shù)生 長期后停止培養(yǎng)，菌液在4"C下8000轉(zhuǎn)/分高速離心10分鐘，用0.85% 的無菌生理鹽水洗滌2次，重新懸浮于0.85%的無菌生理鹽水，作為 微生物燃料電池接種物；
(3) 向陽極室中加入配制好的含有燃料的陽極液，然后接種產(chǎn) 氣腸桿菌，使每升陽極液中菌體數(shù)量達(dá)到5xl()S個，3(TC下靜置培養(yǎng)；
(4) 將陽極、陰極通過500歐姆外阻連接，在線監(jiān)測輸出電壓。 其中，陽極液(a)的配制方法如下
(一)配制A液880毫升去離子水中加入13.197克磷酸氫二 鈉、2.831克磷酸二氫鈉、0.275克氯化銨、0.11克氯化鉀、6.428克 氯化鈉、IO毫升微量元素溶液和IO毫升維生素溶液，混合配制成A(三)將A液、B液分別按照本領(lǐng)域?qū)嶒炇页Ｒ?guī)滅菌，待冷卻 至3(TC混合。
根據(jù)輸出電壓數(shù)據(jù)，計算電子回收率與獲得產(chǎn)電極化曲線圖，具 體結(jié)果見圖2所示，結(jié)果表明最大功率密度為280mW/m2，電子回收 率為62.5%。
實施例2產(chǎn)氣腸桿菌利用葡萄糖為燃料的產(chǎn)電實驗 實驗方法和步驟同實施例1。 陽極液(b)的配制
(一) 配制A液，方法同實施例l;
(二) 配制B液100毫升去離子水中加入0.18克葡萄糖；
(三) 將A液、B液分別按照本領(lǐng)域?qū)嶒炇页Ｒ?guī)滅菌，待冷卻 至室溫混合得到陽極液(b)。
陽極室中加入80毫升陽極液(b)，接種產(chǎn)氣腸桿菌，使每升陽 極液中菌體數(shù)量達(dá)到5xl()S個，3(TC下靜置培養(yǎng)；陽極、陰極通過500 歐姆的外阻連接，監(jiān)測其輸出電壓，結(jié)果如附圖3所示。 實施例3產(chǎn)氣腸桿菌利用麥芽糖產(chǎn)電的實驗
實驗方法和步驟同實施例1，不同的是B液的配制是在100毫升 去離子水中加入0.36克麥芽糖；輸出電壓變化如圖4所示。 實施例4產(chǎn)氣腸桿菌利用蔗糖產(chǎn)電的實驗
實驗方法和步驟同實施例1，不同的是B液的配制是在100毫升 去離子水中加入0.34克蔗糖；輸出電壓變化如圖5所示。 實施例5產(chǎn)氣腸桿菌利用淀粉產(chǎn)電的實驗實驗方法和步驟同實施例1，不同的是B液的配制是在100毫升 去離子水中加入3克淀粉，輸出電壓變化如圖6所示。
權(quán)利要求
1、一種產(chǎn)氣腸桿菌的應(yīng)用，其特征在于作為微生物燃料電池的陽極催化劑應(yīng)用于微生物發(fā)電。
2、 一種權(quán)利要求1所述產(chǎn)氣腸桿菌應(yīng)用于微生物發(fā)電的發(fā)電方法，其特征在于包括以下步驟(1) 構(gòu)建微生物燃料電池；(2) 制備產(chǎn)氣腸桿菌菌體作為微生物燃料電池接種物；(3) 制備含燃料的陽極液；(4) 將產(chǎn)氣腸桿菌接種物和配制好的陽極液加入微生物燃料電池陽極室中，靜置培養(yǎng)后進行產(chǎn)電檢測。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述產(chǎn)氣腸桿菌應(yīng)用于微生物發(fā)電的發(fā)電方 法，其特征在于步驟(2)所述制備產(chǎn)氣腸桿菌菌體細(xì)胞是從保存產(chǎn) 氣腸桿菌XM02的斜面接種至常規(guī)LB液體培養(yǎng)基中，于30°C 、 200 轉(zhuǎn)/分條件下?lián)u床活化菌體16h，達(dá)到指數(shù)生長期后停止培養(yǎng)，菌液在 4。C下8000轉(zhuǎn)/分高速離心10分鐘，用0.85%的無菌生理鹽水洗滌2 次，重新懸浮于0.85%的無菌生理鹽水制備得到接種物。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述產(chǎn)氣腸桿菌應(yīng)用于微生物發(fā)電的發(fā)電方 法，其特征在于所述步驟(3)所述燃料為檸檬酸、丙三醇、葡萄糖、 蔗糖或淀粉。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述產(chǎn)氣腸桿菌應(yīng)用于微生物發(fā)電的發(fā)電方 法，其特征在于步驟(3)所述產(chǎn)氣腸桿菌以每升陽極液105 107個 菌體的接種量加入微生物燃料電池陽極室中。
全文摘要
本發(fā)明公開了產(chǎn)氣腸桿菌在微生物發(fā)電方面的應(yīng)用及發(fā)電方法。所述產(chǎn)氣腸桿菌可作為微生物燃料電池的陽極催化劑應(yīng)用于微生物發(fā)電方面，本發(fā)明同時提供的發(fā)電方法包括構(gòu)建微生物燃料電池、制備產(chǎn)氣腸桿菌接種物、制備含燃料的陽極液、將產(chǎn)氣腸桿菌接種物和配制好的陽極液加入微生物燃料電池陽極室中，靜置培養(yǎng)后進行產(chǎn)電檢測等步驟。本發(fā)明利用的產(chǎn)氣腸桿菌屬于兼性厭氧菌，易于培養(yǎng)，在氧氣存在條件下不會失活，可通過定期加入培養(yǎng)基質(zhì)，長期維持其產(chǎn)電活性，運行成本較低；同時其燃料利用譜較廣，生物氧化徹底，電子回收率較高。
文檔編號H01M8/16GK101320820SQ20081002922
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日
發(fā)明者周順桂, 莉 莊, 鄧麗芳 申請人:廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所