诱导电活性微生物持续产电的方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010344928.7 (22)申请日 2020.04.27 (71)申请人 福建农林大学 地址 350000 福建省福州市仓山区上下店 路15号 (72)发明人 刘星叶银刘璐周顺桂 (74)专利代理机构 厦门智慧呈睿知识产权代理 事务所(普通合伙) 35222 代理人 杨唯 (51)Int.Cl. H01M 4/90(2006.01) H01M 8/16(2006.01) (54)发明名称 一种诱导电活性微生物持续产电的方法 (57)摘要 本发明提供了一种诱导电活性微生物。

2、持续 产电的方法， 将Geobactersulfurreducens菌接 种到微生物燃料电池的阳极室， 在所述微生物燃 料电池运行后期接种电活性微生物Geobacter uraniireducens菌。 本发明的方法使接种 Geobactersulfurreducens的微生物燃料电池 在运行后期仍然保持良好的产电性能。 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 111613800 A 2020.09.01 CN 111613800 A 1.一 种 诱 导电 活 性 微 生 物 持 续 产电 的 方 法 ， 其 特 征 在 于 ， 将 G e o ba c t e r sulfurreduc。

3、ens菌接种到微生物燃料电池的阳极室， 在所述微生物燃料电池运行后期接种 电活性微生物Geobacter uraniireducens菌。 2.根据权利要求1所述的诱导电活性微生物持续产电的方法， 其特征在于， 所述微生物 燃料电池为双室三电极微生物燃料电池。 3.根据权利要求2所述的诱导电活性微生物持续产电的方法， 其特征在于： 所述双室三 电极微生物燃料电池的阳极为石墨板。 4.根据权利要求1所述的诱导电活性微生物持续产电的方法， 其特征在于， 所述 Geobacter sulfurreducens菌和所述Geobacter uraniireducens菌在接种前单独培养于 pH为7.0的。

4、NBAF培养基中， 培养温度为30。 5.根据权利要求1所述的诱导电活性微生物持续产电的方法， 其特征在于， 所述 Geobacter sulfurreducens菌、 Geobacter uraniireducens菌在接种前均需培养至OD值为 0.3以上。 6.根据权利要求1所述的诱导电活性微生物持续产电的方法， 其特征在于， 所述微生物 燃料电池运行后期为微生物燃料电池的电流开始下降时。 7.根据权利要求1所述的诱导电活性微生物持续产电的方法， 其特征在于， 在 Geobacter sulfurreducens菌接种前向所述微生物燃料电池中通入CO2与N2的混合气。 8.根据权利要求7所。

5、述的诱导电活性微生物持续产电的方法， 其特征在于： 所述CO2与N2 的混合气中CO2与N2的体积比为20： 80。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111613800 A 2 一种诱导电活性微生物持续产电的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种诱导电活性微生物持续产电的方法， 属于微生物电池技术领域。 背景技术 0002 微生物电化学系统(Microbial bioelectrochemical systems,BESs)是微生物燃 料电池(MFCs)、 沉积微生物燃料电池(SMFCs)、 微生物脱盐电池(MDCs)、 植物微生物燃料电 池(P-MFCs)、 微生物电解电池(MECs)和。

6、微生物电合成电池(MESs)等技术的总称， 它利用电 活性微生物(Electroactive microorganisms,EAM)催化电极反应， 能从废水中回收电能， 在加电条件下生产有价值的化学品， 可作生物传感器并且在对环境进行生物修复、 处理废 水、 去除污染物等诸多方面发挥重要作用， 具有显著的环境效益和经济效益， 因此具有很好 的应用前景。 0003 微生物燃料电池是利用电活性微生物作为催化剂， 将化学能转化为电能， 同时又 可以处理废水的新型技术。 随着科技的不断进步以及科研的不断深入， 以及更多的电活性 微生物被人类发掘， 这大大拓展了微生物燃料电池的应用领域， 如直接制造生物。

7、传感器、 处 理废水产电等。 微生物燃料电池的研究与应用， 对缓解当前的能源危机有重大意义， 并且具 有非常大的发展潜力。 0004 目前关于MFC的研究多集中在探索电活性微生物的胞外电子传递机制， 以及如何 去除污染物， 研究的绝大多数微生物为地杆菌属(Geobacter)和希瓦氏菌属(Shewanella) 等。 电活性微生物胞外电子传递涉及一系列连续的氧化还原反应， 通过具有不同氧化还原 电势的电子载体蛋白及导电菌毛， 将电子传递给终端电子受体。 有研究通过基因工程手段 构建了硫还原地杆菌突变株CL-1， 该突变株在以乙酸为电子供体的微生物燃料电池中表现 出比野生型硫还原地杆菌更好的产电。

8、性能。 0005 Geobacter sulfurreducens是微生物燃料电池中产电能力最强电活性微生物之 一， 通过氧化乙酸， 将产生的电子通过胞内的电子传递链传递出细胞膜最后传递给体系中 的终端电子受体(阳极电极)， 电子通过外电路到达阴极， 从而形成电流。 由于随着电活性生 物不断生长， 在电极上形成生物膜， 死细胞在生物膜内堆积， 质子在电极附近积累， 电子供 体与营养物质受扩散限制， 因而在后期微生物燃料电池的产电会持续降低， 导致该微生物 燃料电池的性能不能达到实际运用的标准。 发明内容 0006 本发明提供了一种诱导电活性微生物持续产电的方法， 可以有效解决上述问题。 000。

9、7 本发明是这样实现的： 0008 一 种诱导电 活性微生物持续 产电 的 方法 ， 其特征 在于 ， 将Geo ba cter sulfurreducens菌接种到微生物燃料电池的阳极室， 在所述微生物燃料电池运行后期接种 电活性微生物Geobacter uraniireducens菌。 0009 作为进一步改进的， 所述微生物燃料电池为双室三电极微生物燃料电池。 说明书 1/5 页 3 CN 111613800 A 3 0010 作为进一步改进的， 所述双室三电极微生物燃料电池的阳极为石墨板。 0011 作为进一步改进的， 所述Geobacter sulfurreducens菌和所述Geo。

10、bacter uraniireducens菌在接种前单独培养于pH为7.0的NBAF培养基中， 培养温度为30。 0012 作为进一步改进的 ， 所述Geobacter sulfurreducens菌、 Geobacter uraniireducens菌在接种前均需培养至OD值为0.3以上。 0013 作为进一步改进的， 所述微生物燃料电池运行后期为微生物燃料电池的电流开始 下降时。 0014 作为进一步改进的， 在Geobacter sulfurreducens菌接种前向所述微生物燃料电 池中通入CO2与N2的混合气。 0015 作为进一步改进的， 所述CO2与N2的混合气中CO2与N2的体。

11、积比为20： 80。 0016 本发明的有益效果是： 0017 本发明公开了一种诱导电活性微生物持续产电的方法， 通过本发明能够使接种 Geobacter sulfurreducens的微生物燃料电池在运行后期仍然保持良好的产电性能。 0018 本发明突破了对微生物燃料电池无法持续高效运行的传统认识， 提高了 Geobacter sulfurreducens的实际运用价值， 很大程度上提升了对生物电化学系统的研 究， 因此可作为一种参考方法进行大规模的推广应用。 附图说明 0019 为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案， 下面将对实施方式中所需要使用 的附图作简单地介绍， 应当理解， 以下。

12、附图仅示出了本发明的某些实施例， 因此不应被看作 是对范围的限定， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根 据这些附图获得其他相关的附图。 0020 图1为Geobacter sulfurreducens及加入Geobacter uraniireducens的产电图。 0021 图2为Geobacter sulfurreducens及加入Geobacter uraniireducens的阳极石墨 板上形成的电活性生物膜进行活死染色后激光共聚焦显微镜下的图。 具体实施方式 0022 为使本发明实施方式的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合本发明实施 方式中的。

13、附图， 对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实 施方式是本发明一部分实施方式， 而不是全部的实施方式。 基于本发明中的实施方式， 本领 域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式， 都属于本发明 保护的范围。 因此， 以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要 求保护的本发明的范围， 而是仅仅表示本发明的选定实施方式。 基于本发明中的实施方式， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式， 都属于本 发明保护的范围。 0023 在本发明的描述中， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而。

14、不能理解为指示或暗 示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。 由此， 限定有 “第一” 、“第二” 的特征 可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。 在本发明的描述中，“多个” 的含义是两 个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。 说明书 2/5 页 4 CN 111613800 A 4 0024 本发明实施例中所述NBAF培养基的配方如表1所示。 0025 表1培养基的组成 0026 0027 *每升100X NB Salts Mix溶液中含有4g KH2PO4， 22g K2HPO4， 20g NH4Cl， 38g KCl， 36g NaCl， 余量为水。 0028 *每升NB。

15、 Mineral Elixir溶液中含有2.14g NTA， 0.1g MnCl2*4H2O， 0.3g FeSO4* 7H2O， 0.17g CoCl2*6H2O， 0.1g ZnSO4*7H2O， 0.03g CuCl2*2H2O， 0.005g AlK(SO4)2*12H2O， 0.005g H3BO3， 0.09g Na2MnO4*2H2O， 0.11g NiSO4*6H2O， 0.02g Na2WO4*2H2O， 余量为水。 0029 *每升DL维生素溶液中含有0.002g维生素H， 0.005g维生素B5， 0.0001g维生素 B12,0.005g对氨基苯甲酸,0.005g a-。

16、硫辛酸,0.005g烟酸， 0.005g维生素B1， 0.005g核黄素， 0.01g Pyridoxine HCl， 0.002g叶酸， 余量为水。 0030 本发明实施例中所述FWNN电解液的配方如表2所示。 0031 表2电解液的组成 0032 0033 0034 *每升DL维生素溶液中含有0.002g维生素H， 0.005g维生素B5， 0.0001g维生素B12, 说明书 3/5 页 5 CN 111613800 A 5 0.005g对氨基苯甲酸,0.005g a-硫辛酸,0.005g烟酸， 0.005g维生素B1， 0.005g核黄素， 0.01g Pyridoxine HCl， 。

17、0.002g叶酸， 余量为水。 0035 *每升DL微量元素溶液中含有1.5g NTA Trisodium Salt， 3g MgSO4， 0.5g MnSO4* H2O， 1g NaCl， 0.1g FeSO4*7H2O， 0.1g CaCl2*2H2O， 0.1g CoCl2*6H2O， 0.13g ZnCl2， 0.01g CuSO4*5H2O， 0.01g AlK(SO4)2*12H2O， 0.01g H3BO3， 0.025g Na2MoO4*2H2O， 0.024g NiCl2* 6H2O， 0.025g Na2WO4*2H2O， 余量为水。 0036 实施例1： 0037 本发明。

18、Geobacter sulfurreducens和Geobacter uraniireducens的培养 0038 (1)将Geobacter sulfurreducens培养于pH为7.0的80mL NBAF培养基中， 30恒 温培养； Geobacter sulfurreducens购买于美国典型培养物保藏中心， 保藏编号为ATCC 51573D-5； 将Geobacter uraniireducens培养于pH为7.0的80mL NBAF培养基中， 30恒温 培养； Geobacter uraniireducens购买于美国典型培养物保藏中心， 保藏编号为ATCC BAA- 1134； 。

19、0039 (2)将Geobacter sulfurreducens、 Geobacter uraniireducens培养至OD值为 0.3。 0040 本发明微生物燃料电池三电极体系的构建与产电考察 0041 (1)选取100mL的双室三电极微生物燃料电池， 选取10cm*5cm的石墨板作为阳极电 极， 利用4.5*4.5的质子交换膜将阴极室与阳极室隔开， 每组实验做3个重复； 0042 (2)向组装好并灭过菌的三电极微生物燃料电池中通入20： 80的CO2与N2的混 合气， 然后分别给阳极与阴极换上80mL FWAN(FWNN中添加10mM乙酸钠)与80mL FWNN的电解 液； 然后向装。

20、满饱和氯化钾的盐桥中装上饱和甘汞电极， 之后用封口膜将其封好； 0043 (3)取10mL OD值达0.3的Geobacter sulfurreducens， 将其加入到(2)的阳极室 中， 做3个重复； 0044 (4)将(3)中的微生物燃料电池接入电化学工作站， 并设置电压0.3V， 采样间隔5s； 0045 (5)每当微生物燃料电池的电流下降到10-4A时， 将阳极的电解液在20： 80的 CO2与N2的混合气下换成新的FWAN电解液， 每换一次液即为一个周期； 0046 (6)在第六次换液后， 分别取5mL OD值达0.3的Geobacter uraniireducens、 用超 声细。

21、胞破碎仪处理过的Geobacter uraniireducens及Geobacter sulfurreducens， 分别加 入阳极， 形成对照； 0047 用chi1000c或chi1040c采集的电流数据显示Geobacter sulfurreducens在前三 周期的产电持续增加， 然而从第四周期开始电流持续不断降低， 第六周期电流达最小。 第七 周期开始时向阳极添加Geobacter uraniireducens后， 电流显著升高， 而添加灭活(超声处 理的)的Geobacter uraniireducens及Geobacter sulfurreducens组的电流持续降低(图 1)。。

22、 0048 本发明向Geobacter sulfurreducens微生物燃料电池体系中加入Geobacter uraniireducens后的生物膜及未添加Geobacter uraniireducens的生物膜活性考察 0049 (1)当第七周期的电流值达最大值时， 取出阳极石墨板电极； 0050 (2)将各组阳极电极用生理盐水轻轻冲洗两遍； 取0.6mL生理盐水， 并加各1 L的活 死染料， 混匀后滴加到阳极石墨板电极上， 避光染色15分钟， 然后用于激光共聚焦显微镜观 说明书 4/5 页 6 CN 111613800 A 6 察； 0051 结果显示， 加入Geobacter uran。

23、iireducens后的阳极生物膜活性非常好， 呈现绿 色， 而未加入Geobacter uraniireducens组的阳极电极活性很差， 电极附近及生物膜外侧 均显现红色， 可见有大量死菌堆积， 然而生物膜厚度并未发生太大变化(图2)。 0052 综上所述， 本发明包括Geobacter sulfurreducens、 Geobacter uraniireducens、 三电极微生物燃料电池三个核心要素。 该方法通过向Geobacter sulfurreducens微生物燃 料电池运行后期添加电活性微生物Geobacter uraniireducens， 使得该微生物生物燃料电 池的 产电。

24、 性能得以 维持甚至提高 ， 并 且能 显著提高电 活性微生物Geo ba cter sulfurreducens细胞活性。 该方法利用微生物诱导了Geobacter sulfurreducens持续产电 的特性， 促进了生物电化学系统的性能， 并为研究生物电化学系统提供了一种全新的视角， 将不断推进BESs的研究进程。 0053 以上所述仅为本发明的优选实施方式而已， 并不用于限制本发明， 对于本领域的 技术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何 修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 7 CN 111613800 A 7 图1 图2 说明书附图 1/1 页 8 CN 111613800 A 8 。