CN107342428B - 一种微生物电化学***中强化微生物胞外电子传递的方法 - Google Patents

一种微生物电化学***中强化微生物胞外电子传递的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微生物电化学***中强化微生物胞外电子传递的方法，其中使用石墨烯或氮杂石墨烯负载到碳电极作为阳极，其中所述石墨烯或氮杂石墨烯通过电泳沉积直接负载至所述碳电极。本发明还提供用作微生物电化学***中阳极的修饰的碳电极，制备所述碳电极的方法，以及包括所述碳电极微生物电化学***。本发明的***和方法操作简单、运行成本低，产电效果好，便于规模化使用。

Description

一种微生物电化学***中强化微生物胞外电子传递的方法
技术领域
本发明涉及微生物电化学领域，尤其涉及一种强化微生物胞外电子传递的方法。
背景技术
如今环境污染和能源短缺是人类面临的两大问题。微生物电化学***是利用微生物驱动氧化或还原反应进行的一类生物反应器，可在降解污染物的同时产生电能，微生物电化学***作为一种可再生能源技术，可缓解能源危机，有助于人类的可持续发展。
目前，这项技术的实际应用主要受限于其较弱的产电能力，主要归因于微生物和阳极之间电子传递能力较低。微生物电化学***中传统的阳极材料需具备：高电导率、良好的生物相容性、大的比表面积、良好的化学稳定性、机械强度高及费用低这几个特点。
微生物电化学***中，目前应用最广泛的电极材料是碳材料，它们普遍具备良好的生物相容性、耐腐蚀和低成本等优点。在微生物电化学***中常见的碳材料有：碳纸、碳毡、碳布、碳刷、碳纤维等，但是单纯的利用碳材料作为微生物电化学***的阳极，其产电性能较低，并不能达到人们预期的要求。
发明内容
有鉴于此，在一些实施方案中，本发明一种强化微生物胞外电子传递的方法，其中使用石墨烯或氮杂石墨烯负载到碳电极作为阳极，其中所述石墨烯或氮杂石墨烯通过电泳沉积直接负载至所述碳电极。
在一些实施方案中，在一些实施方案中，可用于本发明的阳极可具有平面形状、圆柱形、螺旋形、曲线形，包括但不限于片、多个片、金属丝网、多孔管和海绵状。在一些实施方案中，本发明的阳极具有较大的表面积体积比。在一些实施方案中，阳极可从微生物燃料电池移除。在一些实施方案中，阳极材料包括碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳布、碳纸等导电材料。在一些实施方案中，阳极优选的具有高表面积、低电阻、高电导率、或其组合。在一些实施方案中，阳极允许高细菌生长密度。在一些实施方案中，可以用于本发明的碳电极包括碳纸，碳布，碳纤维，碳刷，碳毡。
在一些实施方案中，通过电泳沉积如阴极电泳沉积直接将石墨烯或氮杂石墨烯负载到碳电极作为阳极负载至所述碳电极。在一些实施方案中，可以用于本发明的电泳沉积方法不受特别的限制。在一些实施方案中，可以用于本发明的沉积分散液包括丙酮、异丙醇或乙醇。
在一些实施方案中，可以用于本发明的产电菌包括假单胞菌(Pseudomonas)、地杆菌(Geobacter)、希瓦氏菌(Shewanella)和红育菌(Rhodoferax)。在一些实施方案中，可以用于本发明的产电菌包括例如铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、恶臭假单胞菌、希瓦氏菌如希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)MR-1、腐败希瓦氏菌(Shewanellputrefaciens)IR-1、希瓦氏菌DSP10、地杆菌属、硫还原地杆菌(Geobactersulfurreducens)、金属还原地杆菌(Geobacter metallireducens)、喜温地杆菌(Peletomaculum thermopropionicum)、热自养甲烷热杆菌(Methanothermobacterthermautotrophicus)、人苍白杆菌(Ochrobactrum anthropi)、丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)EG3、乙酸氧化脱硫单胞菌(Desulfuromonas acetoxidans)、铁还原红育菌(Rhodoferax ferrireducens)、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)A3、丙酸脱硫叶菌(Desulfobulbus ropionicus)、Geopsychrobacter electrodiphilus、Geothrixfermentans、大肠杆菌(Escherichia coli)、沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)、人苍白杆菌YZ-1、脱硫脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans)、嗜酸菌属物种(Acidiphilium sp.)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumonia)L17。在一些实施方案中，使用希瓦氏菌如MR--1作为产电菌。在一些实施方案中，微生物电化学***反应室中的培养基配制成对与其接触的细菌无毒。在一些实施方案中，可调整培养基或溶剂以使其与细菌的新陈代谢相适合。在一些实施方案中，可以通过调节pH至约pH3-9例如约5-8.5的范围内。在一些实施方案中，已经发现可以不在中性pH条件下实施本发明，而对产电能力无明显不利影响。因此，在一些实施方案中，可以将本发明的培养基pH调节至例如约3-6.5，4-6、4.5-5.5、7.5-8等。如果需要，可以向培养基或溶剂中加入缓冲剂，以及通过稀释或加入渗透压活化物质来调节培养基或溶剂的浓度。在一些实施方案中，可加入一种盐来调节离子强度。此外，如果需要，还可包括营养物、辅因子、维生素及其它类似添加剂以保持健康的细菌种群。在一些实施方案中，本发明的***和方法中可以使用具有低导电性的流体，而不需要缓冲液。在一些实施方案中，本发明的***和方法可以有效地从含有可生物降解材料的流体生产能量，和有效地从流体中除去可生物降解材料。本发明的***和方法可以避免流体的显著酸化。在一些实施方案中，本发明的***和方法具有高的电流密度。在一些实施方案中，本发明的使用具有低的或者没有缓冲的原料获得高的电流密度。在一些实施方案中，本发明的***和方法减少例如由于离子传递导致的损失。
在一些实施方案中，本发明提供用作微生物电化学***中阳极的修饰的碳电极，其中所述修饰的碳电极为负载有石墨烯或氮杂石墨烯的碳电极，其中所述石墨烯或氮杂石墨烯通过电泳沉积直接负载至所述碳电极。
在一些实施方案中，所述碳电极包括碳纸，碳布，碳纤维，碳刷，碳毡。
在一些实施方案中，本发明提供一种微生物电化学***，其包括本发明的修饰的碳电极作为阳极。
在一些实施方案中，所述微生物电化学***包括微生物燃料电池和微生物电解池。
在一些实施方案中，所述微生物燃料电池包括本发明的修饰的碳电极作为阳极，阴极，和连接所述阳极和所述阴极的导体。
在一些实施方案中，如上文所述，可用于本发明的阳极可具有各种合适的形状。在一些实施方案中，阳极可通过导线如铜与阴极连接。在一些实施方案中，本发明的微生物燃料电池的阴极包括以下的导电材料：金属、碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳布、碳纸、铂、石墨、石墨棒、石墨毡、石墨粒或其他导电材料。在一些实施方案中，可通过间隔物如隔板或膜将阳极室和阴极室隔开。在一些实施方案中，将阳极室和阴极室隔开的间隔物减慢、减少或阻止电子从阳极直接移动到阴极，而电子通过电路的导线流动。在一些实施方案中，所述间隔物可以是例如生物膜，织物，屏蔽物，离子交换膜。
在一些实施方案中，本发明提供的***例如微生物燃料电池包括：作为阳极的本发明的修饰的碳电极，与所述阳极接触的产电微生物，含有一种或多种导电材料的阴极，所述阳极和所述阴极之间的离子交换膜，导电体，其与所述阳极和所述阴极。在一些实施方案中，本发明的方法和***可以包括将流体物质引导到阳极的装置。在一些实施方案中，所述阳极和/或所述阴极位于密封的室中。在一些实施方案中，在阳极室具有适合于引入含有生物降解材料的流体的入口和用于从所述腔室除去流体的出口。在一些实施方案中，在阴极室具有适合于将含氧气体引入的入口。在一些实施方案中，阴极室是对空气敞开的。在一些实施方案中，所述阳极室和/或阴极室是可拆卸的。
在一些实施方案中，本发明提供包括微生物燃料电池和微生物电解池的装置，其中微生物燃料电池可以是如上描述的电池，其中微生物电解池可以包括本发明的修饰的碳电极为阳极和阴极如铂丝电极。在一些实施方案中，电解池阴极室具有气体出口。在一些实施方案中，所述的电解池阳极室可以通过导管与电解池阴极室相连通。在一些实施方案中，燃料电池阳极电极与电解池阴极电极相连，燃料电池阴极电极与电解池阳极电极相连。在一些实施方案中，电解池阳极室具有碳源入口。在所述装置中，所述微生物燃料电池能够为微生物电解池提供电源。在一些实施方案中，所述装置可以用于废水处理等用途。
在一些实施方案中，本发明提供一种制备所述的修饰的碳电极的方法，其包括将石墨烯或氮杂石墨烯负载到碳电极作为阳极的步骤，其中所述石墨烯或氮杂石墨烯通过电泳沉积直接负载至所述碳电极。
本发明先利用阴极电泳沉积的方法，将石墨烯和氮杂石墨烯负载至碳纸电极表面，再将其用作微生物电化学***的阳极来促进产电。在本发明中，微生物作为氧化/还原反应的催化剂，在微生物消耗底物乳酸的同时，产生电子，通过胞外电子传递的方式传递至阳极，产生电能。
本发明采用阴极电泳沉积的方法，将石墨烯和氮杂石墨烯负载至碳纸电极表面用作生物阳极来促进BESs的产电。本发明采用石墨烯和氮杂石墨烯修饰后的阳极，可使BESs的产电能力提高6～8倍。本发明还发现石墨烯作为阳极修饰物时BESs的产电能力约为氮杂石墨烯修饰阳极后的BESs产电能力的1.3倍左右，这要归因于石墨烯更好的生物相容性、更高的电导率及对核黄素更好的响应。该方法操作简单且运行成本低，促进BESs产电效果好，实验设备要求简单，便于规模化使用。
附图说明
图1：图1a、图1b、图1c为本发明实施例1使用的碳纸电极、石墨烯-碳纸电极和氮杂石墨烯-碳纸电极的扫描电镜图；
图2：图2a、图2b为本发明实施例1使用的石墨烯和氮杂石墨烯的透射电镜图；
图3为本发明实施例1使用的石墨烯和氮杂石墨烯的XPS表征图谱；
图4为本发明实施例1使用的石墨烯、氮杂石墨烯、碳纸电极、石墨烯-碳纸电极和氮杂石墨烯-碳纸电极的比表面积柱状图；
图5：图5a、图5b、图5c为本发明实施例1使用的碳纸电极、石墨烯-碳纸电极和氮杂石墨烯-碳纸电极的水接触角表征图片；
图6为本发明实施例1使用的碳纸电极、石墨烯-碳纸电极和氮杂石墨烯-碳纸电极的EIS阻抗谱图；
图7为本发明实施例2使用了碳纸电极、石墨烯-碳纸电极和氮杂石墨烯-碳纸电极安装的微生物电化学***的产电图；
图8：图8a、图8b、图8c为本发明实施例2安装的反应器运行结束之后，阳极表面微生物的扫描电镜图；
图9为本发明实施例2安装的反应器运行结束之后，阳极表面微生物的BCA法蛋白测定柱状图。
图10为本发明实施例2安装的反应器运行过程中，在产电峰值处的循环伏安扫描图；
图11为本发明实施例3使用的碳纸电极、石墨烯-碳纸电极和氮杂石墨烯-碳纸电极在核黄素体系中的循环伏安扫描图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实验材料：
本文使用下述实验材料：
石墨烯和氮杂石墨烯：中国科学院成都有机化学有限公司
希瓦氏MR-1细菌：由南加州大学的K.H.Nealson教授提供
LB培养基：10g/L蛋白胨；5g/L NaCl；5g/L酵母膏。其中，蛋白胨和酵母膏购自：Oxoid Ltd.Wade Road.Basingstoke.Hants.RG24 8PW.UK.Made in the United Kingdom，NaCl购自：国药集团化学试剂有限公司。
好氧培养基：10mL/L常量元素、10mL/L微量元素、10mL/LMgSO4·7H2O、2.788mL/LL-乳酸钠(60％)、11.91g/L HEPES、1L培养基/2mL Casa mino Acid浓缩液、1L培养基/500μLVitamin
厌氧培养基：10mL/L常量元素、10mL/L微量元素、10mL/LMgSO4·7H2O、2.788mL/LL-乳酸钠(60％)、6.4g/L反丁烯二酸11.91g/L HEPES、1L培养基/2mL Casa mino Acid浓缩液、1L培养基/500μL Vitamin
常量元素组成及具体来源：
NH4Cl国药集团化学试剂有限公司
(NH4)2SO4国药集团化学试剂有限公司
K2HPO4国药集团化学试剂有限公司
KH2PO4国药集团化学试剂有限公司
微量元素组成及具体来源：
NTA国药集团化学试剂有限公司
MnCl2·4H2O国药集团化学试剂有限公司
FeSO4·7H2O国药集团化学试剂有限公司
CoCl2·6H2O国药集团化学试剂有限公司
ZnCl2国药集团化学试剂有限公司
CuSO4·4H2O国药集团化学试剂有限公司
AlK(SO4)2·12H2O国药集团化学试剂有限公司
H3BO3国药集团化学试剂有限公司
NaMoO4·2H2O国药集团化学试剂有限公司
NiCl2·6H2O国药集团化学试剂有限公司
NaWO4·2H2O国药集团化学试剂有限公司
NaSeO4国药集团化学试剂有限公司
Casa mino Acid浓缩液：20g Casa mino Acid粉末溶解于100mL 蒸馏水中 生工生物工程(上海)股份有限公司
Vitamin及各种药品的具体来源：
10mg/L盐酸吡哆醇 国药集团化学试剂有限公司
5mg/L核黄素 国药集团化学试剂有限公司
5mg/L维生素B1 国药集团化学试剂有限公司
5mg/L烟酸 国药集团化学试剂有限公司
5mg/L钙D-泛酸盐 国药集团化学试剂有限公司
5mg/L对氨基苯甲酸 国药集团化学试剂有限公司
5mg/L硫辛酸 国药集团化学试剂有限公司
2mg/L生物素 国药集团化学试剂有限公司
2mg/L叶酸 国药集团化学试剂有限公司
0.1mg/L维生素B12 国药集团化学试剂有限公司
MgSO4·7H2O国药集团化学试剂有限公司
L-乳酸钠(60％)生工生物工程(上海)股份有限公司
HEPES生工生物工程(上海)股份有限公司
反丁烯二酸 阿拉丁试剂
丙酮溶液 国药集团化学试剂有限公司
碘单质 国药集团化学试剂有限公司
碳纸：上海河森电器有限公司 型号：东丽090。
实验方案：
在一个具体实施方案中，本发明可以包括以下步骤：
将石墨烯和氮杂石墨烯负载到碳纸电极表面；
将希瓦氏MR-1细菌依次在LB培养基、好氧培养基、厌氧培养基中培养；
超净台中微生物电化学***(BESs)的安装；
BESs在上海辰华电化学工作站(CHI1030C)的控制下运行，监测数据。
在本发明中，所述电极修饰的方法可以是电泳沉积，如阴极电泳沉积的方法。
在本发明中，所述阴极电泳沉积的直流电压值可以为10V～20V，如15V。
在本发明中，所述阴极电泳沉积的时间可以为5min～15min，如10min。
在本发明中，高温灭菌锅灭菌时，可以将其参数设定为：温度：121℃，灭菌时间：20min。
在本发明中，微生物电化学***可以在室温30℃的条件下运行。
在本发明中，可以采用辰华电化学工作站如Amperometric i-t curve。
在本发明中，微生物电化学***在运行时，其阳极电位控制可以为+0.1V v.s.Ag/AgCl参比电极。
在本发明中，所述微生物可以为纯菌S.Oneidensis MR-1，所述BESs***的菌液可以由以下方法制得：
先通过单克隆的方法，在LB培养基中培养S.Oneidensis MR-112h；而后在好氧矿物盐培养基中培养S.Oneidensis MR-1 24h；最后在厌氧矿物盐培养基中培养S.Oneidensis MR-1 6～8h左右，例如7h。
本发明对所述丙酮溶液、碳纸、石墨烯、氮杂石墨烯、产电菌和碘单质的来源并无特殊的限制，本发明中所使用的原材料如无另外说明均为市售。
本发明对阴极电泳沉积所使用的直流电源并无特殊限制，只要其性能可靠且能达到相关的实验要求均可。
本发明采用阴极电泳沉积的方法，将石墨烯和氮杂石墨烯负载至碳纸电极表面用作生物阳极来促进BESs的产电。本发明采用石墨烯和氮杂石墨烯修饰后的阳极，可使BESs的产电能力提高6～8倍。本发明还发现石墨烯作为阳极修饰物时BESs的产电能力约为氮杂石墨烯修饰阳极后的BESs产电能力的1.3倍左右，这要归因于石墨烯更好的生物相容性、更高的电导率及对核黄素更好的响应。该方法操作简单且运行成本低，促进BESs产电效果好，实验设备要求简单，便于规模化使用。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种强化微生物胞外电子传递的方法进行详细描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
先将20mg石墨烯或氮杂石墨烯在50ml丙酮溶液中超声分散30min，而后加入1粒碘单质，再超声15min，得到阴极电泳沉积分散液，而后利用阴极电泳沉积的方法控制其直流电压为：15V，沉积时间：10min，将石墨烯和氮杂石墨烯通过静电结合的方式包裹在碳纸纤维表面，得到修饰后的阳极材料。
本发明对修饰后的阳极材料进行扫描电镜分析，见图1，图1为本发明实施例1使用的石墨烯和氮杂石墨烯的扫描电镜图。由图1可以看出修饰后电极的表面形态。
本发明对实施例1使用的石墨烯和氮杂石墨烯进行透射电镜分析，见图2，图2位本发明实例1使用的石墨烯和氮杂石墨烯的透射电镜图。由图2可以看出石墨烯和氮杂石墨烯材料自身的表面形态。
本发明对实施例1使用的石墨烯和氮杂石墨烯进行XPS分析，结果见图3，由图3可以看出本发明使用的市售石墨烯和氮杂石墨烯所包含的化学元素种类。
本发明对实施例1使用的石墨烯、氮杂石墨烯、石墨烯-碳纸、氮杂石墨烯-碳纸和碳纸分别进行了BET比表面积测定，结果见图4，由图4可以看出，石墨烯的比表面积约为氮杂石墨烯的7倍左右，石墨烯-碳纸和氮杂石墨烯-碳纸的比表面积相近，且二者的比表面积均约为碳纸的4倍左右，说明通过石墨烯和氮杂石墨烯负载之后，碳纸的比表面积增大，更有利于微生物的附着。
本发明对实施例1使用的碳纸电极、石墨烯-碳纸电极和氮杂石墨烯-碳纸电极进行了水接触角的表征，结果见图5，由图5的实验结果可以看出氮杂石墨烯-碳纸电极的水接触角最大，其接触角大于150°，属于超疏水材料，石墨烯-碳纸电极次之，最小的为碳纸电极，说明经过石墨烯或氮杂石墨烯修饰之后，阳极材料疏水性提高。
本发明对实施例1使用的碳纸电极、石墨烯-碳纸电极和氮杂石墨烯-碳纸电极进行了阻抗图谱的表征，结果见图6，由图6的实验结果可以看出经过石墨烯或氮杂石墨烯修饰之后，大大降低了碳纸电极的传荷阻抗，有利于微生物的胞外电子传递。
实施例2
先将反应器、磁力搅拌转子、丁基橡胶塞等反应器配件通过高温灭菌，工作电极、铂丝对电极和Ag/AgCl参比电极通过紫外灯灭菌，而后在超净台中组装电池。所述体系使用单室的MEC，其中希瓦氏MR--1细菌厌氧培养过程结束之后，直接将此厌氧培养基分装到6个反应器中，每个反应器中培养基的体积为130mL，其中铂丝电极发生H+离子还原产H2的反应，阳极发生乳酸被氧化生成醋酸的反应，并在此过程中释放电子。待电池装好之后，利用辰华电化学工作站监测BESs***的产电性能。见图7，由图7可以看出，由不同的阳极材料组装成的反应器，其产电能力的大小为：石墨烯-碳纸＞氮杂石墨烯碳纸＞碳纸。
本发明对反应器运行结束之后的阳极表面微生物进行了扫描电镜分析，见图8，图8为本发明实施例2使用的阳极材料表面微生物的扫描电镜图。由图8可以看出反应器运行结束之后电极表面的微生物和修饰材料的形态。
本发明利用BCA法蛋白测定法对反应器运行结束之后电极表面微生物的含量进行了测定，见图9，由图9可以看出不同的阳极材料表面的微生物的含量从大到小依次为：石墨烯-碳纸＞氮杂石墨烯碳纸＞碳纸。
本发明在反应器运行过程对其阳极进行了CV扫描，见图10，在产电峰值出对各个反应器进行了CV扫描，由图10可以看出，不同的阳极材料，其氧化/还原峰电流的大小存在差异，氧化/还原峰电流从大到小进行排序为：石墨烯-碳纸＞氮杂石墨烯碳纸＞碳纸。
实施例3
利用矿物盐培养基配置核黄素浓度为5mM的溶液作为CV扫描的电解液，石墨烯-碳纸电极、氮杂石墨烯-碳纸电极和碳纸电极分别作为工作电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl参比电极，然后利用辰华电化学工作站对不同的工作电极做CV扫描，结果可见图11，由图11的结果可以看出，在核黄素体系中，不同的工作电极其CV扫描曲线的氧化/还原峰电流存在较大的差异，氧化/还原峰电流从大到小排序依次为：石墨烯-碳纸电极＞氮杂石墨烯-碳纸电极＞碳纸电极，说明石墨烯-碳纸电极对核黄素的响应最强，最有利于核黄素得失电子过程的进行，氮杂石墨烯-碳纸电极次之，碳纸电极对核黄素的响应最弱。

Claims (7)

1.一种强化微生物胞外电子传递的方法，其中所述方法使用核黄素体系，其中使用石墨烯或氮杂石墨烯负载到碳电极作为阳极，其中所述石墨烯或氮杂石墨烯通过电泳沉积直接负载至所述碳电极，其中石墨烯或氮杂石墨烯在丙酮溶液中超声分散，而后加入碘单质，再超声处理，得到阴极电泳沉积分散液，而后利用阴极电泳沉积法将石墨烯或氮杂石墨烯通过静电结合的方式包裹在碳电极表面，得到修饰后的阳极材料。
2.权利要求1所述的方法，其中碳电极包括碳纸，碳布，碳纤维，碳刷，碳毡。
3.权利要求1-2中任一项所述的方法，其中使用的产电菌包括假单胞菌(Pseudomonas)、地杆菌(Geobacter)、希瓦氏菌(Shewanella)和红育菌(Rhodoferax)。
4.一种微生物电化学***，其使用核黄素体系，其包括修饰的碳电极作为阳极，其中所述修饰的碳电极为负载有石墨烯或氮杂石墨烯的碳电极，其中所述石墨烯或氮杂石墨烯通过电泳沉积直接负载至所述碳电极，其中石墨烯或氮杂石墨烯在丙酮溶液中超声分散，而后加入碘单质，再超声处理，得到阴极电泳沉积分散液，而后利用阴极电泳沉积法将石墨烯或氮杂石墨烯通过静电结合的方式包裹在碳电极表面，得到修饰后的阳极材料。
5.权利要求4所述的微生物电化学***，其中所述碳电极包括碳纸，碳布，碳纤维，碳刷，碳毡。
6.权利要求4所述的微生物电化学***，其包括微生物燃料电池和微生物电解池。
7.权利要求6所述的微生物电化学***，其中所述微生物燃料电池包括所述修饰的碳电极作为阳极，阴极，和连接所述阳极和所述阴极的导体。
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