CN110518273A - 一种用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池及其制备方法 - Google Patents

一种用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池及其制备方法，属于微生物电化学的技术领域。本发明目的是针对多数微生物燃料电池不适用于组学研究的问题，提供一种简单有效的用于组学研究的单室空气阴极微生物燃料电池制作方法。所述用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池的基本结构由碳纸阳极、空气阴极和玻璃瓶体构成。本发明采用辊压的工艺制作空气阴极可简化操作流程并缩减制作时间，提高空气阴极的制作效率，在阴极外侧设置除菌滤膜可保证反应器的纯培养环境。采用碳纸作为阳极可保证核酸和蛋白样品的定量提取，便于后续的高通量测序和组学分析。

Description

一种用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池及 其制备方法
技术领域
本发明属于微生物电化学的技术领域；具体涉及一种用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池的制备方法。
背景技术
在污水处理领域中，微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)技术作为一项新兴的废水处理技术得到了迅速发展，并成为国内外研究热点。近十年来，随着反应器构型和电极材料的优化，MFC***电能输出得到了显著提升。然而一些研究发现放大后MFC电化学活性生物膜形成困难，容易导致功率过冲，放大后反应器性能远远低于实验室水平。由于对电极微生物生物膜形成缺乏足够的了解，因此仅仅通过电极材料和尺寸的宏观改变，很难实现MFC产电效率的同步放大。在MFC中发挥电催化活性的主要是富集在阳极的电化学活性微生物。微生物和阳极间的电子转移速率是影响微生物电化学***性能的关键性因素，成为制约微生物电催化转化效能的重要原因。因此，为了进一步提高***效能，在生物膜形成初期进行优化调控，需要开展电化学活性细菌和群落的胞外电子传递机制、优化阳极表面生物膜群落结构等方面研究。
单室空气阴极微生物燃料电池具有良好的产电效果和简单的构型，成为研究电化学细菌功能的有效工具。近年来兴起的基于高通量核酸测序技术的基因组学、转录组学和蛋白组学，为不同环境中功能微生物的特性和代谢功能研究提供了思路和方法。然而目前大多数单室空气阴极微生物燃料电池由于构型和电极材料的原因，不适用于组学研究特别是纯菌体系的研究。因此，要实现利用核酸测序的分子生物学技术研究电化学活性菌的生理生态特性和代谢途径，必须更进一步地改造单室空气阴极微生物燃料电池。
发明内容
本发明目的是针对目前多数微生物燃料电池不适用于组学研究的问题，提供一种简单有效的用于组学研究的单室空气阴极微生物燃料电池制作方法。
为解决上述问题，本发明提供的用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池一种用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池，包括反应器外壳(1)、碳纸阳极(2)、空气阴极(3)、除菌滤膜(4)、导线(5)、电阻(6)、钛丝(7)，其中，反应器外壳为有上盖、侧壁有圆形开口的玻璃瓶体，所述空气阴极是由粉末状电容活性碳、导电炭黑、不锈钢网和聚四氟乙烯乳液制成的，所述碳纸阳极设置于反应器外壳内部，与钛丝连接，钛丝穿过反应器外壳的上盖伸出反应器外壳，通过导线连接电阻，电阻通过导线连接另一段钛丝，该钛丝另一端与空气阴极相连；所述空气阴极设置在反应器外壳侧壁的圆形开口处，通过单法兰和不锈钢夹固定在反应器外壳上，将该开口完全封闭，空气阴极外侧设置有除菌滤膜。
所述的阳极碳纸尺寸为(2～2.5cm)×(6～10cm)。
所述玻璃瓶体有效容积为200～250ml，玻璃瓶口使用橡胶胶塞密封为上盖，瓶体一侧圆形开口面积为6～8cm2。
所述除菌滤膜孔径为0.22μm，面积为8～10cm2。
另外，本发明还提供上述用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池的制备方法，是按下述步骤进行的：
步骤一、将粉末状电容活性碳粉与无水乙醇混合后超声搅拌，缓慢加入聚四氟乙烯乳液，待无水乙醇蒸发至混合物形成胶团，然后用辊压机不断辊压直至压制成薄片，制得空气阴极的催化层；
步骤二、将导电炭黑与无水乙醇混合后超声搅拌，缓慢加入聚四氟乙烯乳液，待无水乙醇蒸发至混合物形成胶团，用辊压机不断辊压直至压制成薄片，然后与不锈钢网一并放入辊压机压制使其嵌入不锈钢网，将混合薄片放入马弗炉中加热；
步骤三、将步骤一制得的催化层与步骤二制备的加热后的薄片叠加放置，一并放入辊压机，压制三至四次即制得空气阴极；
步骤四、将碳纸裁剪后用钛丝穿孔，并涂抹导电胶固定，制得碳纸阳极；
步骤五、将空气阴极、除菌滤膜、碳纸阳极和玻璃瓶体组装成一体结构，制得单室微生物燃料电池。
步骤一中电容活性碳粉与无水乙醇的质量比为1：(4～6)，超声搅拌时间为20～40min，催化层厚度为0.4～0.6mm。
步骤一中聚四氟乙烯乳液固含量为40％～80％wt，电容活性碳粉与聚四氟乙烯乳液质量比为(4～6):1。
步骤二中导电炭黑与无水乙醇质量比为1：(2～3)，超声搅拌时间为15～30min，薄片厚度为0.4～0.6mm。
步骤二中聚四氟乙烯乳液固含量为40％～80％wt，导电炭黑与聚四氟乙烯乳液质量比为(1～1.2)：3；不锈钢网的目数为40～100目。
步骤五所述将空气阴极、除菌滤膜、碳纸阳极和玻璃瓶体组装成一体结构，按照以下连接关系组装：反应器外壳为有上盖、侧壁有圆形开口的玻璃瓶体，所述空气阴极是由粉末状电容活性碳、导电炭黑、不锈钢网和聚四氟乙烯乳液制成的，所述碳纸阳极设置于反应器外壳内部，与钛丝连接，钛丝穿过反应器外壳的上盖伸出反应器外壳，通过导线连接电阻，电阻通过导线连接另一段钛丝，该钛丝另一端与空气阴极相连；所述空气阴极设置在反应器外壳侧壁的圆形开口处，通过单法兰和不锈钢夹固定在反应器外壳上，将该开口完全封闭，空气阴极外侧设置有除菌滤膜。
有益效果
本发明为用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池，其基本结构由碳纸阳极、空气阴极和玻璃瓶体构成。空气阴极是由粉末状电容活性碳、导电炭黑、不锈钢网和聚四氟乙烯乳液制成的，外侧设置除菌滤膜。活性炭化学性质稳定且具有良好的催化活性；不锈钢网是一种高强度的基础结构材料并具有良好的导电性能，其网状结构能够使空气透过；在阴极外侧设置除菌滤膜可保证反应器的纯培养环境。采用碳纸作为阳极可保证核酸和蛋白样品的定量提取，便于后续的高通量测序和组学分析。
本发明构建的单室微生物燃料电池，在以乙酸钠为碳源的条件下，接入野生型和突变型菌株，平稳输出电压周期可达40天以上。通过试剂盒提取阳极DNA样品后进行琼脂糖凝胶电泳，条带明亮清晰，达到组学分析的建库标准。
附图说明
图1是本发明单室微生物燃料电池接入不同菌株在纯培养下的电压输出。
图2是本发明阳极DNA样品提取后的电泳图。
图3是本发明单室微生物燃料电池反应器的结构示意图；1-反应器外壳，2-阳极，3-阴极，4-除菌滤膜，5-导线，6-电阻，7-钛丝。
具体实施方式
实施例1用于组学研究的单室微生物燃料电池构建
本实施方式中用于组学研究的单室微生物燃料电池由碳纸阳极、空气阴极和玻璃瓶体构成的一体结构，所述空气阴极是由粉末状电容活性碳、导电炭黑、不锈钢网和聚四氟乙烯乳液制成的，所述空气阴极外侧设置除菌滤膜。上述燃料电池的制备方法是按下述步骤进行的：
一、将10g粉末状电容活性碳与63ml无水乙醇在超声搅拌的条件下进行混合30min，超声搅拌过程中缓慢加入1.333ml固含量为60％的聚四氟乙烯乳液；待无水乙醇蒸发至混合物形成胶团时，用辊压机不断辊压直至压制成0.5mm的薄片，即得催化层。
二、将6g粉末状炭黑与120ml无水乙醇在超声搅拌的条件下进行混合20min，超声搅拌过程中缓慢加入12ml固含量为60％wt的聚四氟乙烯乳液；待无水乙醇蒸发至混合物形成胶团时，用辊压机不断辊压直至压制成0.5mm的薄片，然后与网眼目数为80目的不锈钢网(厚度大约0.5mm)一并放入辊压机压制使其嵌入不锈钢网，将混合薄片放入马弗炉350℃中加热20min。
三、将步骤一制得的催化层与混合薄片一并叠放入辊压机，压制三至四次即制得0.5mm的空气阴极。
四、将碳纸裁剪成2.5×8cm长条后用直径0.5mm的“J”型钛丝穿孔，连接处涂抹导电胶固定，制得碳纸阳极。
五、将碳纸阳极固定到有效容积为250mL的反应器中，钛丝伸出反应器顶部。将空气阴极置于反应器一侧，催化层向内，扩散层外部覆盖0.22μm除菌滤膜，装载空气阴极处使用单法兰和不锈钢夹固定。阴极处用一段钛丝将电流导出，外电路以铜质导线将阳极、1000Ω电阻和阴极连接，完成单室微生物燃料电池反应器的组装。
应用：
将本实施例得到的单室微生物燃料电池，整体进行高压蒸汽灭菌后(121℃，20min)，接种5mL菌液，以1g/L的乙酸钠为底物，以100mM磷酸盐缓冲液作为溶剂，采用间歇式非连续流的方式在35℃恒温室内运行，在以乙酸钠为碳源的条件下，接入野生型和突变型菌株，平稳输出电压周期可达40天以上。通过试剂盒提取阳极DNA样品后进行琼脂糖凝胶电泳，条带明亮清晰，达到组学分析的建库标准。

Claims (10)

1.一种用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池，其特征在于：包括反应器外壳(1)、碳纸阳极(2)、空气阴极(3)、除菌滤膜(4)、导线(5)、电阻(6)、钛丝(7)，其中，反应器外壳为有上盖、侧壁有圆形开口的玻璃瓶体，所述空气阴极是由粉末状电容活性碳、导电炭黑、不锈钢网和聚四氟乙烯乳液制成的，所述碳纸阳极设置于反应器外壳内部，与钛丝连接，钛丝穿过反应器外壳的上盖伸出反应器外壳，通过导线连接电阻，电阻通过导线连接另一段钛丝，该钛丝另一端与空气阴极相连；所述空气阴极设置在反应器外壳侧壁的圆形开口处，通过单法兰和不锈钢夹固定在反应器外壳上，将该开口完全封闭，空气阴极外侧设置有除菌滤膜。
2.根据权利要求1所述的用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池，其特征在于：所述的阳极碳纸尺寸为(2～2.5cm)×(6～10cm)。
3.根据权利要求1所述的用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池，其特征在于：所述玻璃瓶体有效容积为200～250ml，玻璃瓶口使用橡胶胶塞密封为上盖，瓶体一侧圆形开口面积为6～8cm2。
4.根据权利要求1所述的用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池，其特征在于：所述除菌滤膜孔径为0.22μm，面积为8～10cm2。
5.一种权利要求1-4任一项所述的用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池的制备方法，其特征在于：是按下述步骤进行的：
步骤一、将粉末状电容活性碳粉与无水乙醇混合后超声搅拌，缓慢加入聚四氟乙烯乳液，待无水乙醇蒸发至混合物形成胶团，然后用辊压机不断辊压直至压制成薄片，制得空气阴极的催化层；
步骤二、将导电炭黑与无水乙醇混合后超声搅拌，缓慢加入聚四氟乙烯乳液，待无水乙醇蒸发至混合物形成胶团，用辊压机不断辊压直至压制成薄片，然后与不锈钢网一并放入辊压机压制使其嵌入不锈钢网，将混合薄片放入马弗炉中加热；
步骤三、将步骤一制得的催化层与步骤二制备的加热后的薄片叠加放置，一并放入辊压机，压制三至四次即制得空气阴极；
步骤四、将碳纸裁剪后用钛丝穿孔，并涂抹导电胶固定，制得碳纸阳极；
步骤五、将空气阴极、除菌滤膜、碳纸阳极和玻璃瓶体组装成一体结构，制得单室微生物燃料电池。
6.根据权利要求5所述的用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池的制备方法，其特征在于：步骤一中电容活性碳粉与无水乙醇的质量比为1：(4～6)，超声搅拌时间为20～40min，催化层厚度为0.4～0.6mm。
7.根据权利要求5所述的用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池的制备方法，其特征在于：步骤一中聚四氟乙烯乳液固含量为40％～80％wt，电容活性碳粉与聚四氟乙烯乳液质量比为(4～6):1。
8.根据权利要求5所述的用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池的制备方法，其特征在于：步骤二中导电炭黑与无水乙醇质量比为1：(2～3)，超声搅拌时间为15～30min，薄片厚度为0.4～0.6mm。
9.根据权利要求5所述的用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池的制备方法，其特征在于：步骤二中聚四氟乙烯乳液固含量为40％～80％wt，导电炭黑与聚四氟乙烯乳液质量比为(1～1.2)：3；不锈钢网的目数为40～100目。
10.根据权利要求5所述的用于电化学活性细菌组学研究的单室微生物燃料电池的制备方法，其特征在于：步骤五所述将空气阴极、除菌滤膜、碳纸阳极和玻璃瓶体组装成一体结构，按照以下连接关系组装：反应器外壳为有上盖、侧壁有圆形开口的玻璃瓶体，所述空气阴极是由粉末状电容活性碳、导电炭黑、不锈钢网和聚四氟乙烯乳液制成的，所述碳纸阳极设置于反应器外壳内部，与钛丝连接，钛丝穿过反应器外壳的上盖伸出反应器外壳，通过导线连接电阻，电阻通过导线连接另一段钛丝，该钛丝另一端与空气阴极相连；所述空气阴极设置在反应器外壳侧壁的圆形开口处，通过单法兰和不锈钢夹固定在反应器外壳上，将该开口完全封闭，空气阴极外侧设置有除菌滤膜。
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