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微生物燃料电池利用养殖废水产电特性、微生物群落分析及产电菌分离

作　者: 李冲
导　师: 朱能武；邓耀杰
学　校: 华南理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 微生物燃料电池 养殖废水 产电 产电微生物
分类号: X71
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物氧化有机底物同时产生电流,将化学能转化为电能的新兴技术。养殖废水是一种典型的高浓度有机废水,本研究以空气阴极单室MFC为模型,探讨了该模型利用养殖废水产电同时净化水质的效果,研究了MFC阳极生物膜的微生物分子系统发育多样性,筛选、考察了产电微生物菌株及其产电潜力。主要成果如下:（1）以养殖废水的厌氧活性沼泥为接种物,以载铂碳纸为阴极、碳毡为阳极,构建了序批式空气阴极单室MFC。结果表明,以葡萄糖为底物时,两个MFC的稳定输出电压分别达到0.514 V和0.527 V（20 d,外阻500Ω）。逐渐加大养殖废水在底物中的比例,直至全部为养殖废水原水。此时,采用稳态放电法度量的两个MFC的内阻分别为169Ω和178Ω,最大功率密度分别为208 mW/m2和158 mW/m2。水质监测结果显示,一个运行周期（4 d）养殖原水的CODcr平均去除率分别为85 %和78 %,氨氮平均去除率分别为52 %和45 %。此外,MFC对养殖废水原水的臭味去除效果明显。（2）采用PCR-DGGE方法对启动期（S）、葡萄糖产电稳定期（RG）和养殖废水原水稳定期（RS）的MFC阳极生物膜微生物群落结构进行了分析。结果表明,不同时期MFC阳极生物膜的微生物多样性存在明显差异,S-RG、S-RS、RG-RS微生物群落相似性分别为70.1 %、42.0 %和50.6 %。对DGGE条带测序和比对发现,不同时期阳极生物膜上优势微生物包括Trichococcus sp.、Thauera sp.、Azoarcus sp.、Azospirillum sp.、Zobellella sp.、Pseudomonas sp.、Aeromonas sp.、Thiobacillus sp.、Desulfovibrio sp.、Thiomonas sp.。此外,两个MFC阳极生物膜利用养殖废水产电稳定期的微生物群落相似性为48 %。（3）以沼泥接种物和原水稳定期的阳极生物膜为对象,通过分离培养-电化学测试筛选-MFC产电实验得到了4株电化学活性较高的纯培养菌株,其中两株MFC最大输出电压分别达到0.34 V和0.33 V（1000Ω外阻,1 g/L葡萄糖,50 mM PBS,pH 7.0）,最大功率密度分别达到505 mw/m2和495 mw/m2。分子鉴定结果表明,这两株微生物分别与变形杆菌（99.9 %）和克雷伯氏菌（99.8 %）具有较高的序列相似度。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章 绪论  11-25
  1.1 引言  11-12
  1.2 微生物燃料电池的基本原理  12-13
  1.3 微生物燃料电池的发展历史  13-14
  1.4 影响直接微生物燃料电池产电效率的关键因素  14-18
    1.4.1 工程技术因素  14-16
    1.4.2 生物因素  16-18
  1.5 已知产电微生物的研究进展  18-22
    1.5.1 已知产电微生物的生物学特性和电化学活性  18-20
    1.5.2 已知产电微生物的电子传递机制  20-21
    1.5.3 分子生物学方法在产电微生物多样性研究中的应用  21-22
  1.6 微生物燃料电池的应用前景和存在的问题  22-23
    1.6.1 微生物燃料电池的应用前景  22
    1.6.2 微生物燃料电池存在的问题  22-23
  1.7 本课题的研究目标和主要研究内容  23-25
    1.7.1 本课题的研究目标  23-24
    1.7.2 本课题的主要研究内容  24-25
第二章 材料与方法  25-35
  2.1 微生物燃料电池和实验系统  25-27
    2.1.1 微生物燃料电池的结构  25
    2.1.2 接种物与预处理  25
    2.1.3 阳极的制备  25-26
    2.1.4 实验系统的启动与运行  26-27
  2.2 实验试剂  27-28
  2.3 微生物燃料电池产电性能分析方法  28-29
    2.3.1 电压监测  28-29
    2.3.2 极化曲线  29
    2.3.3 内阻的测定  29
    2.3.4 功率密度  29
  2.4 化学分析方法  29-30
    2.4.1 COD、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的测定  29-30
    2.4.2 臭味强度等级  30
  2.5 微生物多样性研究方法  30-32
    2.5.1 样品DNA 的制备  30-31
    2.5.2 16S rDNA 基因V3 区扩增  31
    2.5.3 变性梯度凝胶电泳DGGE  31
    2.5.4 DGGE 图谱分析  31-32
    2.5.5 条带的回收测序  32
    2.5.6 序列比对与系统发育树的构建  32
  2.6 产电微生物的分离、筛选和验证  32-35
    2.6.1 产电微生物的分离  32-33
    2.6.2 电化学活性的测试  33-34
    2.6.3 产电微生物的保存和活化  34
    2.6.4 纯菌的鉴定  34-35
第三章 微生物燃料电池利用养殖废水产电同时净化水质的效果  35-45
  3.1 微生物燃料电池的启动  35-37
  3.2 两种微生物燃料电池利用原水—配水的产电特性  37-39
  3.3 微生物燃料电池功率密度和内阻  39-40
  3.4 微生物燃料电池净化配水和养殖废水原水的效果  40-42
  3.5 讨论  42-43
  3.6 本章小结  43-45
第四章 阳极生物膜微生物分子生态学分析  45-53
  4.1 微生物基因组总DNA 的制备和16S rDNA V3 区扩增  45-46
  4.2 DGGE 电泳图谱分析  46-48
  4.3 16S rDNA 序列同源性比较和系统发育分析  48-50
  4.4 微生物群落结构的变化  50-51
  4.5 本章小结  51-53
第五章 产电微生物的分离、筛选及产电验证  53-63
  5.1 产电微生物的分离  53
  5.2 产电微生物的筛选  53-55
  5.3 四种纯菌接种MFC 产电特性  55-56
  5.4 四种纯菌接种MFC 功率密度和内阻比较  56-59
  5.5 Ba-2 菌和Ba-3 菌的鉴定  59-61
    5.5.1 DNA 纯度和浓度检测  59-60
    5.5.2 PCR 扩增  60
    5.5.3 16S rDNA 序列测定和同源性比较  60-61
    5.5.4 TEM 分析  61
  5.6 讨论  61-62
  5.7 本章小结  62-63
第六章 结论与展望  63-65
  6.1 结论  63-64
  6.2 展望  64-65
参考文献  65-72
攻读硕士学位期间取得的研究成果  72-73
致谢  73-74

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 农业废物处理与综合利用
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