微生物燃料电池中阳极产电微生物的研究进展

微生物燃料电池（MFC）是利用阳极产电微生物为催化剂降解有机废物直接将化学能转化为电能的装置。在MFC系统中,产电微生物是影响产电性能的核心要素之一。介绍了MFC中产电微生物的最新研究现状,详细讨论了产电微生物的种类、产电机理和产电能力．为产电微生物的富集、驯化、改造和多种菌种优化组合提供思路。     

微生物燃料电池阳极微生物群落对乳酸-丙酸-乳酸底物转换的响应特征

摘要:【目的】为探讨底物波动对微生物燃料电池(MFC)产电效能和阳极微生物群落的影响,【方法】依次以乳酸-丙酸-乳酸为底物,应用不依赖于培养的微生物分子生态学技术,解析单室MFC 启动及底物替换过程中阳极微生物群落的动态学响应特征。【结果】底物的更换过程降低了MFC的产电效能,当改变为新底物后,MFC需要较长的产电恢复期。同时,底物的转换改变了阳极微生物群落结构,Anaeromusa spp.、Pseudomonas spp．以及Thiobacillus thioparus对乳酸底物具有很好的响应,随着乳酸底物的投加而富集;丙酸底物对Dechloromonas spp.和Comamonas testosteroni等类群表现出较强的选择作用;而产电微生物Geobacter spp.由于利用乳酸、丙酸的共同代谢产物乙酸为底物而被逐渐富集,是多种底物替换过程的重叠种群。【结论】本研究表明,MFC的阳极微生物群落组成与投加的底物有较强的对应性,为了减缓底物波动对MFC产电过程的影响,应尽量采用混合有机底物,以提供宽泛的营养生态位,提高种群的功能重叠性。     

好氧-厌氧混合污泥启动微生物燃料电池产电性能及微生物群落动态特征

【目的】为探讨好氧-厌氧混合污泥启动微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)产电性能以及MFC对微生物群落的选择作用,【方法】以乳酸为底物,应用不依赖于培养的微生物分子生物学技术解析单室MFC启动过程中微生物群落的组成和结构动态学特征。【结果】结果表明,MFC经过3个周期启动成功,最高输出电压230 m V。当MFC外电阻为1656Ω时,最大功率密度11.15 W/m3,电池运行稳定。混合污泥启动MFC以后,阳极生物膜微生物群落结构同种泥差异较大,且多样性降低。生物膜中微生物类群按丰度依次为β-变形菌纲(Betaproteobacteria)24.90%、拟杆菌门(Bacteroidetes)21.30%、厚壁菌门(Firmicutes)9.70%、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)8.50%、δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)7.90%、绿弯菌门(Chloroflexi)4.20%以及α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)3.60%。有利于生物膜形成与稳定的动胶菌属(Zoogloea)和不动杆菌属(Acinetobacter)序列丰度分别占生物膜群落的5.00%和3.90%,与MFC产电能力直接相关的地杆菌属(Geobacter)序列由混合污泥中的0.60%上升至阳极生物膜中的2.60%。【结论】本研究表明,MFC阳极生物膜在驯化过程中对污泥中的微生物进行淘汰和选择,最终驯化形成了有利于生物膜形成与稳定、有机物厌氧发酵与产电的微生物菌群。     

微生物燃料电池中产电微生物的研究进展

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)作为一种新型的环境治理和能源技术,目前已得到研究者们的广泛关注。微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能转化成电能的装置,产电微生物作为生物催化剂,对微生物燃料电池的发展至关重要。不同种类的产电微生物,其电子转移机制与能力有所差异,直接影响MFC的产电性能,从而决定MFC在工程实践中的性能与应用。任何含有大量微生物的废水、污泥、沉积物都可以作为产电微生物的筛选来源,尝试从不同环境条件下分离筛选高效产电微生物有望促进MFC的进一步完善,从而加速其在环境中的应用。通过对微生物燃料电池的发展、产电微生物种类及其电子传递机制等进行总结分析,综述了MFC中产电微生物的最新研究进展,包括产电微生物的筛选方法、种类以及技术研究等,最后展望了今后在产电微生物方面的主要研究方向及MFC的发展前景,以期为产电微生物的的筛选和应用奠定相应的理论基础及提供思路。     

微生物燃料电池中产电微生物的研究进展

产电微生物是微生物燃料电池系统的核心组成, 本文从生物学角度介绍了几种产电微生物的分类学地位、形态特征、生理生化特征及在微生物燃料电池中的产电机理和产电能力, 分析了利用产电微生物进行废水处理同时生物发电的应用前景, 提出产电微生物在MFC系统中的进一步研究方向为微生物的富集、驯化、改造和多种菌种优化组合等。     

微嗜酸寡养单胞菌EFS1的产电性能及在污水处理中的应用

【背景】微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)作为一种新型的燃料电池资源,在产电的同时可应用于污水处理领域,达到资源最大化的目的。【目的】从MFC中分离获得一株可培养微生物,研究其产电特性及在污水处理中的微生物絮凝、重金属耐受、苯酚降解性能,为扩展产电菌资源库提供理论基础。【方法】利用WO_3纳米探针从MFC阳极中筛选获得一株具备产电和絮凝性能的菌株,命名为EFS1。运用循环伏安分析结合扫描电镜观测阳极电极;改变外电阻测定极化曲线和功率密度曲线。测定菌株的絮凝、重金属耐受及苯酚降解性能。【结果】经16S rRNA基因序列分析,结合形态学和生理生化鉴定菌株EFS1为微嗜酸寡养单胞菌(Stenotrophomonas acidaminiphila)。菌株EFS1具有稳定的产电周期,周期电压最高可达300m V,功率密度可达56.25m W/m~2;扫描电镜发现菌株存在直接接触电极及分泌电子中介体传递电子的方式;MFC内阻为1 000Ω左右。有氧条件下菌株的絮凝率可达到70%,存在电子受体的无氧环境中可达到80%;该菌株还具有良好的Cd~(2+)、Cu~(2+)、Mn~(2+)耐受性及苯酚降解性能,在48 h、2–4 mg/L时苯酚降解率达到了100%。【结论】研究验证了产电菌EFS1具备絮凝能力、重金属耐受、苯酚降解的可能性,为产电菌的开发及污水处理方面提供理论依据。     

含氟有机废水处理过程活性污泥微生物群落研究进展

随着有机氟化物在各领域的广泛应用,含氟有机废水处理面临巨大挑战。活性污泥作为有机废水处理的核心技术之一,微生物在其中发挥着极其重要的作用。本综述首先聚焦在活性污泥微生物群落多样性、组成、结构和功能及其与含氟废水类型、处理工艺和处理效率之间的关系,进而讨论了功能微生物降解/转化有机氟化物的途径和作用机制,最后展望了结合分离培养降解有机氟化物的关键微生物,以及微生物组学技术解析活性污泥微生物群落构建、互作、代谢等核心问题,以提高对含氟有机废水微生物降解机理的认识,优化含氟有机废水处理工艺。     

微生物燃料电池利用乳酸产电性能与微生物群落分布特征

【目的】为探讨以乳酸为基质的微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)产电性能以及微生物群落在阳极膜、悬浮液、阳极沉淀污泥中的分布特征,【方法】试验建立了双室MFC,以乳酸为阳极主要碳源,研究了反应器的启动过程及产电效能,同时以电镜和PCR-变性梯度凝胶电泳(Denaturing gradient gelelectrophoresis,DGGE)技术解析了微生物群落的空间分布特征。【结果】结果表明,反应器启动第7天时外电压达到0.56 V,当外阻为80Ω时,电流密度为415 mA/m2,MFC的功率密度达到最大值82 mW/m2。电镜观察发现大量杆菌附着在阳极表面,结合较为紧密;DGGE图谱显示阳极膜表面微生物与种泥最为相似,与阳极悬浮液、底部沉淀污泥中的主要菌群一致,条带序列与睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosteroni)和布氏弓形菌(Arcobacter butzleri)等最为相似。【结论】本研究表明以乳酸为基质MFC可产生较高的功率密度,阳极附着的优势菌与接种污泥来源密切相关。     

不同富集和分离培养条件下的含酚废水处理生物膜微生物群落结构与活性比较分析

采用Biolog和变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术研究了不同苯酚浓度培养对焦化废水处理厂反硝化池生物膜样品中微生物群落结构和代谢类型的影响。DGGE结果表明, 不同浓度苯酚和不同培养方式富集培养后, 细菌16S rDNA的部分条带分布谱形发生改变, 还有部分条带只受到了苯酚浓度变化的影响; 富集培养过程中由于碳源组成相对焦化废水简单, DGGE条带所代表的优势微生物多样性有所降低。Biolog试验结果表明, 生物膜样本的细菌群落代谢能力最强; 低浓度苯酚富集后的样品能利用的底物碳源类型最丰富。对Biolog试验结果的主成分分析显示, 相同浓度苯酚富集培养后的细菌群落代谢功能多样性相似, 但从DGGE结果看出其结构组成产生了变化。富集培养使样品微生物群落的代谢功能发生改变, 低浓度的苯酚富集增加了群落中微生物的代谢类型。而不同条件获得的分离物其苯酚降解能力的初步分析也表明, 富集与分离条件对苯酚降解菌的分离能力和得到的菌株特性具有差别。     

微生物燃料电池内阻及其影响因素分析

微生物燃料电池(MFC)是一种通过微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化为电能的生物反应装置,研究表明内阻是限制微生物燃料电池产能的重要因素。本文对目前国内外有关微生物燃料电池内阻的研究成果进行了总结,系统介绍了微生物燃料电池内阻定义、构成和常用的微生物燃料电池内阻测定方法,重点分析了反应器、产电底物、产电微生物和操作条件等对微生物燃料电池内阻的影响,并结合已有的研究结果提出了降低内阻、提高微生物燃料电池产电性能的可行性方法。     

双阳极室甲烷微生物燃料电池同步脱氮除硫性能及微生物群落分析

【背景】甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane, AOM)包含反硝化型甲烷厌氧氧化和硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化。目前,人们向水体中排放过量的含氮及含硫污染物,引起了严重的环境污染和生态破坏。【目的】利用甲烷厌氧氧化微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)研究同步脱氮除硫耦合反应机理及反应过程中微生物的多样性信息。【方法】构建了3个微生物燃料电池(N-S-MFC、N-MFC、S-MFC),以甲烷作为唯一碳源,探究其同步脱氮除硫性能,并采用16S rRNA基因高通量测序技术对微生物群落结构进行分析。【结果】N-S-MFC中硝酸盐和硫酸盐的去除率分别为90.91%和18.46%。阳极室中微生物的相对丰度提高,与反硝化及硫酸盐还原菌相关的微生物大量富集,如门水平上拟杆菌门(Bacteroidota)、厚壁菌门(Firmicutes)和脱硫杆菌门(Desulfobacterota),同时属水平上Methylobacterium＿Methylorubrum、Methylocaldum、Methylomonas等常见的甲烷氧化菌增多。【结论...     

Performance and microbial diversity of palm oil mill effluent microbial fuel cell

Aim: To evaluate the bioenergy generation and the microbial community structure from palm oil mill effluent using microbial fuel cell. Methods and Results: Microbial fuel cells enriched with palm oil mill effluent (POME) were employed to harvest bioenergy from both artificial wastewater containing acetate and complex POME. The microbial fuel cell (MFC) showed maximum power density of 3004 mW m^?2 after continuous feeding with artificial wastewater containing acetate substrate. Subsequent replacement of the acetate substrate with complex substrate of POME recorded maximum power density of 622 mW m^?2. Based on 16S rDNA analyses, relatively higher abundance of Deltaproteobacteria (88·5%) was detected in the MFCs fed with acetate artificial wastewater as compared to POME. Meanwhile, members of Gammaproteobacteria, Epsilonproteobacteria and Betaproteobacteria codominated the microbial consortium of the MFC fed with POME with 21, 20 and 18·5% abundances, respectively. Conclusions: Enriched electrochemically active bacteria originated from POME demonstrated potential to generate bioenergy from both acetate and complex POME substrates. Further improvements including the development of MFC systems that are able to utilize both fermentative and nonfermentative substrates in POME are needed to maximize the bioenergy generation. Significance and Impact of the Study: A better understanding of microbial structure is critical for bioenergy generation from POME using MFC. Data obtained in this study improve our understanding of microbial community structure in conversion of POME to electricity.     

内源微生物驱油及其对油藏微生物活动的影响

【目的】新疆油田六中区为典型水驱普通稠油油藏，水驱效果较差，油藏具有丰富的内源微生物，本研究通过分析内源微生物驱油对油藏微生物活动的影响，确定内源微生物驱油技术在该类油藏的应用潜力。【方法】采用高通量测序及分析化学技术，系统研究实施内源微生物驱油技术后油藏细菌群落结构组成、细菌总数和功能菌群的浓度以及采出液的流体性质，总结内源微生物驱油对油藏微生物活动的影响。【结果】现场试验注入激活剂和空气后，内源微生物被显著激活，细菌群落结构发生明显变化，细菌总数及功能菌群浓度普遍提高了2–3个数量级；各种内源微生物代谢活动显著增强，与地层流体相互作用后，原油明显被乳化，最终石油采收率提高5.2%。【结论】对于内源微生物较为丰富的水驱普通稠油油藏，内源微生物驱油技术对油藏微生物活动的影响显著，具有显著的技术优势和较大的应用潜力，微生物群落结构、功能菌群浓度及其相关代谢产物可以作为评价内源微生物驱油现场激活效果的重要指标，为其他内源微生物驱油现场试验提供技术参考。     

汉阳陵陶俑表面微生物群落结构与种群多样性分析

【背景】汉阳陵是我国截至目前发现的规模最大、陪葬级别最高的汉代陶俑群,出土了大量形神毕肖的裸体俑群,考古学家认为这种裸体陶俑原本“着衣、装木臂”,称为“着衣式陶俑”,为皇室独有,异常珍贵。然而这些推测尚无科学依据,而且陶俑表面附着微生物可能会腐蚀俑体。【目的】通过比较研究汉陶俑表面微生物的组成差异,为汉裸体陶俑着有衣物且装有断臂的推测提供一定的科学佐证,同时为汉陶俑微生物腐蚀的防控提供靶标。【方法】应用微生物高通量测序与纯培养相结合的方法,对着衣式陶俑不同部位微生物进行测定。【结果】高通量测序结果显示女俑头部微生物多样性较高;男俑上半身微生物多样性最高,腿部居中,头部较低。汉陶俑表面微生物组成按俑的类别及不同部位聚集在一起,其优势菌为放线菌门的克洛斯氏菌属、糖多孢菌属、假诺卡氏菌属及链霉菌科,其他各部位优势类群相对丰度存在差异,断臂处与碳循环相关功能微生物的相对丰度最高。纯培养结果显示女俑头部的可培养细菌数量高于男俑头部可培养的细菌数量;男俑上身与腿部可培养的微生物数量高于男俑头部,表明上半身与腿部可能有衣物覆盖,导致其营养差异。【结论】汉陶俑头部与身体表面部位微生物多样性与组成存在明...     

驯化复合微生物菌群处理废弃钻井泥浆活性研究

【背景】油田废弃钻井泥浆含油量高,污染物复杂,环境危害严重,现有技术无法满足日益发展的石油开采行业在废弃钻井泥浆处理方面的需求。生物法处理废弃钻井泥浆,工艺简单,成本低,但也存在局限,包括广谱性差、处理周期长、原油降解率低、泥浆性质波动冲击工艺稳定性等。【目的】构建一种高活性和高环境耐受能力的微生物菌群,分析遗传稳定性和综合性能,提高废弃钻井泥浆处理技术水平。【方法】通过定向富集、诱导驯化的方法,提高活性群落对石油烃乳化降解效率,降低共代谢底物反馈抑制和群体感应系统敏感度,分析群落结构和活性成员的种群类别,分析乳化降解石油烃的活性对应关系。【结果】从含油量超过12g/kg、芳烃-胶质沥青含量超过80%、含盐量超过8g/kg的钻井废弃泥浆中富集得到1个活性微生物菌群,主要成员包括假单胞菌属(Pseudomonas)、根瘤菌属(Rhizobium)、红细菌属(Rhodobacter)和嗜碱还原硫素杆菌(Dethiobacter alkaliphilus),比例分别达27.44%、20.73%、8.54%和7.93%。在超过22代的连续驯化过程中,假单胞菌(Pseudomonas)、类希瓦氏菌(Alishewanella)和盐单胞菌(Halomonas)数量达92.72%,菌群结构和活性趋于稳定。处理钻井废弃泥浆5 d,土壤含油率由处理前的12403 mg/kg降低到处理后的42 mg/kg,综合脱油效率99.67%,石油烃降解率68.9%。分析微生物群落作用前后石油饱和土壤中的石油含量变化,原始含油量261 g/kg,处理后含油量305 mg/kg,脱油率99.88%。【结论】菌群驯化后活性稳定,耐受高盐环境能力强,在钻井废弃泥浆、含油土壤及油泥污染物处理方面具有很强的工业应用潜力。     

巴里坤盐湖退化区土壤微生物群落结构及生态功能分析

【目的】微生物是湖泊生态系统的重要组成部分,参与碳、氮和硫等元素的生物地球化学循环过程,其群落组成和功能对环境的稳定性和可持续性至关重要。然而,新疆的部分湖泊出现退化和盐渍化等问题,微生物如何响应湖泊退化值得研究。【方法】本研究基于16S rRNA基因的扩增子高通量测序,对巴里坤盐湖退化区域的土壤微生物群落结构进行分析,同时对微生物的潜在生态学功能进行预测。【结果】本研究发现,假单胞菌门(Pseudomonadota)、绿弯菌门(Chloroflexota)和拟杆菌门(Bacteroidota)是巴里坤盐湖退化生境中的优势类群。在轻度退化阶段,脱硫菌门(Desulfobacterota)和弯曲杆菌门(Campylobacterota)是主要类群,但随着湖泊退化程度加剧,这些类群急剧减少甚至消失;在极度退化阶段,酸杆菌门(Acidobacteriota)和浮霉菌门(Planctomycetota)等类群逐渐占据主导地位。基于BugBase对氧的需求进行预测,结果发现好氧类群主要是放线菌门(Actinomycetota)、假单胞菌门(Pseudomonadota)和绿弯菌门(Chlorof...     

镉离子污染条件下微生物群落中细菌与藻类的相互作用

【背景】水体微生物有着丰富的多样性,不同种类的微生物之间的相互作用对水体生态系统的组成结构与功能具有重要影响。水体内的藻类与某些微生物可以发生多种相互作用,然而人们对逆境条件下的菌藻有益相互作用尚缺乏深入研究。【目的】为了研究镉对水体微生物群落的影响以及镉胁迫下菌藻之间可能的相互作用。【方法】本研究运用了基于16S rRNA基因的高通量测序技术,分析在不同Cd~(2+)条件下微生物群落结构的变化,利用微生物相互作用网络分析菌藻之间可能发生的相互作用。【结果】通过分离培养筛选出了与集胞藻PCC6803互作抗Cd~(2+)的关键细菌Y9菌株。【结论】研究结果表明Y9菌株属于Phyllobacteriaceae科,与微生物群落组成和微生物互作网络的分析结果相符。本研究为探索水体环境中微生物种间相互作用、菌藻互作抗Cd~(2+)的生态效应提供参考依据。     

海州湾近岸海域的微生物群落结构和抗生素抗性基因时空变化

【背景】近岸海域抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的污染和累积将直接影响海产品质量和安全,海州湾作为江苏省的四大渔场之一,是江苏渔业发展的主要载体,有多条大小河流注入,沿岸为重要农业区,对公众健康产生重大影响。【目的】对海州湾夏秋季的水样及沉积物展开微生物及ARGs检测。【方法】基于宏基因组测序技术开展海州湾夏秋两季近岸6个站点中水体和沉积物中ARGs种类和相对丰度以及微生物群落的组成研究。【结果】变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是夏秋季度两种介质中最优势的门类,水样中优势的科级细菌为红细菌科(Rhodobacteraceae),沉积物样品中为脱硫杆菌科(Desulfobacteraceae);夏季水样中的ARGs相对丰度要明显高于秋季,但沉积物中不同季节的ARGs相对丰度未表现出明显的变化趋势;在水样中主要门级微生物群落的抗性机制主要是抗生素靶位替换和抗生素靶位保护,沉积物样品则以抗生素灭活机制为主,而主要科级微生物群落的抗性机制更加多样;冗余分析(redundancyanalysis...     

菌藻共生系统对序批式反应器处理养猪废水脱氮除磷效果及微生物群落结构的影响

【背景】养猪废水作为高浓度有机废水,是导致我国农业面源污染的主要因素之一。目前采用菌藻共生系统处理养猪废水越来越受到关注,与传统序批式反应器(Sequencing Batch Reactor,SBR)相比,藻辅助SBR具有提高脱氮除磷效果、增加污泥活性和降低能源消耗的特点。【目的】针对SBR中菌藻共生系统对养猪废水脱氮除磷效能的影响,比较分析菌藻共生系统与常规SBR系统中污泥特性及微生物群落结构特征差异。【方法】在室温条件下分别平行运行SBR+微藻(R1)和作为对照系统不添加微藻的SBR(R2)。监测R1和R2系统废水处理效果,污泥的粒径、沉降性和代谢产物等污泥特性。利用变性梯度凝胶电泳(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis,DGGE)技术分析R1和R2系统中的微生物种类和分布。【结果】与对照R2反应器相比,R1的化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)去除率提高了5.1%,NH4+-N提高了20.3%,总氮(Total Nitrogen,TN)提高了19.4%,总磷(Total Phosphorus,TP)提高了23.9%。进一步对反应器中的污泥特性进行分析发现,与R2相比,R1的胞外聚合物(ExtracellularPolymericSubstances,EPS)平均含量提高3.7%,可溶性微生物产物(Soluble MicrobialProduct,SMP)平均增加了38.5%。同时R1的污泥粒径较R2提高了14.8%,污泥体积指数(Sludge Volume Index,SVI)值较R2降低了11.7%,污泥的好氧呼吸速率(Specific Oxygen Uptake Rate,SOUR)较R2提高了64.8%,而且稳定的菌藻共生系统的形成进一步减少反应器出水中的悬浮固体浓度,表明藻类的添加对R1污泥特性具有改良作用【结论】R1反应器形成的菌藻共生体系可进一步优化微生物群落结构,其中放线菌纲(Actinobacteria)、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)和γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)为R1反应器的主要菌群,对养猪废水的处理起到重要作用。R1反应器中的藻类主要为链带藻属(Desmodesmus)和尖带藻属(Acutodesmus),对养猪废水的脱氮除磷起到重要作用。     

Effect of different acclimation methods on the performance of microbial fuel cells using phenol as substrate

Single-chamber microbial fuel cells (MFCs) with air-cathode were constructed. MFCs were fed different feedstocks during their inoculation, their role on phenol degradation and MFC performance were investigated. The results showed that the MFC inoculated using glucose exhibited the highest power density (31.3 mW m^?2) when phenol was used as the sole substrate for MFC. The corresponding biodegradation kinetic constant was obtained at 0.035 h^?1, at an initial phenol concentration of 600 mg L^?1. Moreover, the phenol degradation rates in this MFC with closed circuit were 9.8–16.5 % higher than those in MFC with opened circuit. The cyclic voltammograms revealed a different electrochemical activity of the anode biofilms in the MFC, and this led to differences in performance of the MFCs with phenol as sole substrate. These results demonstrated that phenol degradation and power production are affected by current generation and type of acclimation.