基于钛基阳极电极的微生物燃料电池中微生物群体及其电化学性能外文翻译资料

 2022-04-14 21:17:34

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基于钛基阳极电极的微生物燃料电池中微生物群体及其电化学性能

摘要：在相同的微生物燃料电池（MFC）阳极室中测试四种类型的钛（Ti）基电极，并比较它们的电化学性能及阳极生物膜中占主导地位的微生物群体。电极的形状，宏观表面积和芯材是相同的，但是在表面涂层（Pt或Ta涂覆的金属复合材料）和表面纹理（光滑或粗糙）方面不同。生物燃料电池接种的是富含电化学活性的嗜中性微生物，这些微生物已经在醋酸盐作为底物的MFC阳极室中富集了4年。原始接种物是由补加了硫还原杆菌菌株PCA的生物反应器中的污泥样品组成。总的来说，Pt和Ta涂层的Ti基生物阳极（电极 - 生物膜组合）显示出比未涂覆的Ti生物阳极更高的电流产量。提取的阳极液体DNA和Pt-和Ta-涂布的Ti电极生物膜的分析表明优势菌群存在差异。未涂覆电极上的生物膜形成很差并且不足以用于进一步分析。将涂覆有Pt和Ta的Ti基生物阳极样品与Fe（III）和乙酸盐一起孵育，结果显示电极表面的微生物群落中是以几种Fe（III）还原细菌为主。相比之下，富含硝酸盐的样品则表现出较小的多样性，富集的菌株在电极表面上不占优势。分离的Fe（III）还原菌株与硫还原杆菌菌株PCA在系统发育上相关，但不完全相同。在该系统中还检测到其他细菌物种，例如在阳极液体中占优势的产丙酸单胞菌属，假单胞菌属，梭菌属，脱硫弧菌属，安息斯菌属和气单胞菌相关物种等。

引言

微生物燃料电池（MFC）是可进行可持续能源生成，生物修复和生物传感的有前景的技术。MFC的概念是基于微生物胞外电子转移或微生物将由有机底物的代谢氧化产生的电子转移到不溶性的细胞外电子接受化合物的能力。微生物电子转移到电极可以通过转移细菌细胞膜、细胞色素和蛋白质复合物产生的电子直接实现。或者，某些微生物通过使用环境自产的细胞外电子介体间接转移电子。

许多还原金属的微生物（如某些Fe（III）还原菌）已经表现出在MFC阳极隔室中具有电化学活性。这可能是由于电极的固体表面类似于不溶性末端电子受体表面，如Fe（III）氧化物。Fe（III）还原型细菌的变形菌，特别是硫还原菌科已被证明在MFCs中特别活跃，其中硫还原地杆菌是使用直接电子转移的最广泛研究的微生物之一。其他Fe（III）还原菌也已被检测到很活跃，并从MFC中分离出来。然而，非Fe（III）还原菌也可以在MFC中有活性。此外，在MFC中检测到的最频繁的细菌与变形菌门，厚壁菌门和拟杆菌属相关。

尽管MFC具有作为能源的优点，但是MFC技术还没有被充分优化以使系统作为大规模应用。基于迄今为止的MFC研究，在MFC操作中一些最关键的因素是阳极微生物群体及其与电极表面的相互作用。用作MFC阳极电极的材料具有高导电性和化学稳定性的特征。由于石墨的大电流密度输出，它已被不同形式的常用作MFC中的阳极电极芯材料。不锈钢和金也用作阳极电极，但是这些材料比石墨电极具有较低的电流密度输出。为了增加电流密度输出，表面改性电极也在MFC中进行了测试，并获得了积极的结果。金属结合和聚合物涂层的阳极电极比未涂层的电极表现出比较高的活性。此外，贵金属涂层，特别是铂，显示出比石墨电极的电流密度提高了将近20倍。

尽管MFC中的石墨电极性能良好，但要考虑到选择的电极材料应该和MFC过程的最优化相探索。钛（Ti）用于电极制造的冶金学在尺寸上是优选的稳定的阳极（DSA），主要是因为它的化学稳定性和抗老化性。这对于长期MFC运行的石墨电极来说可能是一个很大的优势。然而，在MFC中钛作为阳极电极核心材料的研究并不充分，因为直到最近才在MFC中使用它。钽（Ta）涂覆的钛生物阳极的电流密度略低于未涂覆的石墨生物阳极电流密度。此外，涂覆铂的钛和粗糙石墨生物阳极表现出相当的电流密度。最近，在放大的堆叠式MFC中使用铂涂覆的钛电极产生了前所未有的功率密度。然而，这些研究没有解决MFC能量生成的核心因素 - 附着在电极表面的细菌群体。

我们研究了作为生物阳极的不同钛电极的表面性能和性能的相互关系。确定了四种钛基生物阳极生物膜的电化学性能和主要微生物群落。将所有测试的电极放置在相同的阳极室中，阳极室暴露于相同的生长条件和含有相同的微生物群体的阳极液体，可以进行直接比较。

材料和方法

菌种来源。从之前MFC持续酸酸盐的废液中提取阳极液（阳极电解液）和电化学活性的生物体。这种混合培养物已经在4年内富集并且有顺序地从先前运行的MFC阳极转移。初始启动MFC阳极接种来自全尺寸厌氧造纸厂废水处理生物反应器的污泥样品、来自糖蜜喂养的MFC的阳极流出物和硫还原地杆菌菌株PCA。

微生物燃料电池设计和建立。实验装置由一个平板MFC组成类似于前面描述的MFC装置。阳极和阴极的隔室体积各350毫升，包括再循环管和流动池的阳极电解液总量为650毫升。阳极阴极室由阳离子交换膜隔开。阳极室面对一个有四个垂直通道的有机玻璃板，玻璃板上放置着棒状钛电极。四个钛电极的形状、宏观表面积和芯材相同。然而，它们在表面涂层和表面纹理方面不同。这些电极分别是（i）铂 - 铱复合物涂覆的钛（Pt-Ti），（ii）钽 - 铱复合物涂覆的钛（Ta-Ti），（iii）盐酸酸性表面处理的钛（光滑钛），和（iv）氧化铝喷砂处理钛（粗Ti）。每个电极的有效投影的宏观表面积为20plusmn;1cm2。这四个电极连接到相同的阴极电极上。阴极电极是石墨毡，具有的投影表面积为290cm2。阴极和阳极电极通过金线连接到电器电路。

微生物燃料电池操作。MFC在30°C下操作，以250ml /天的速率连续给阳极室供给5mM钾和醋酸盐-20mM磷酸盐缓冲液（pH7.0），缓冲液的微量矿物质和维生素如前所述。阳极电解液和阴极电解液都被循环使用，流量为10升/小时。用NaOH将阳极液的pH值控制在7.0。阳极室和阴极室都装有Ag / AgCl，3M KCl参比电极（相对于标准氢电极〜205mV）。阳极每隔60s通过Fieldpoint FP-AI-110模块收集电极电位。每隔几天用万用表测量电池电压。MFC在阴极开始用连续20mM并且充气磷酸盐缓冲液（pH7），每个阳极电极连接1000Omega;电阻（R）。 9天后，电阻降至100Omega;。从第29天到第33天，将20mM磷酸盐缓冲液中的50mM六氰合铁酸盐（III）（pH 7）的阴极电解液用于快速阴极反应[Fe（III）（CN）3-6还原成Fe（III）（CN）4-6]，并在系统稳定后进行电化学测试（见下文）。在第33天，阴极电解液再次用充气磷酸盐缓冲液代替。 MFC的操作在第62天停止。

电化学测量和数据分析。表征阳极通过循环伏安法，表征阴极（操作的第29天至第33天）通过电位伏安法与Fe（CN）63-。在循环伏安法中，应用的细胞电压E（V）以1mV / s的速率在500至700mV间循环。用电位阶跃伏安法，对5种不同的阳极电位（-450mV，-425mV，-400mV，-375mV，和-350mV与Ag / AgCl）进行了测试，并且以时间为函数测试了电极上产生的电流。每电势设定为2分钟以获得稳定的电流，电流密度的7标准差在测量的最后30秒期间总是le;2％。电流密度J（A / m2）是基于预测的宏观电极表面积（m2）计算的。功率密度P（W / m2）根据下式计算最佳 P=Etimes;J。所有电化学测试均使用恒电位仪进行。

样品收集和浓缩。在第62天，收集电极表面的生物膜和阳极样品。电极表面的生物膜被刮掉整个表面并重新悬浮于缺氧磷酸盐缓冲液中（20mM，pH7）。子样被用来建立浓缩样品通过上所述接种到20-ml缺氧的限定培养基的血清瓶中，以乙酸盐（10mM）作为电子供体和硝酸盐（10mM）或以下螯合的Fe（III）（10mM） - 以柠檬酸铁（III）或次氮基三乙酸铁（III）的形式（NTA） - 作为电子受体，富集物在30℃孵育。监测到利用硝酸盐作为电子受体的富集增长看起来很浑浊，并且监测到用Fe（III）作为电子受体进行富集将Fe（III）还原了，因为介质的颜色变化显示从浅棕色到透明了。

微生物培养基和分离技术。标准的无菌和厌氧培养技术贯穿始终。液体培养基如下（克/升）：NH4Cl（0.25），KCl（0.1），NaH2PO4·2H2O（1.56）和Na2HPO4·2H2O（1.78）。矿物质和维生素如Wolin等人所述从储液中加入（10ml /升），并用NaOH将pH调节至7.0。选择性电子供体和受体是从无菌缺氧储备液中加入的。用于单细胞分离的固体培养基是使用摇动琼脂管技术制备的，相同的培养基组分用2％（wt / vol）的贵重琼脂修饰。从较高稀释度的管中挑取单个菌落，并且如果需要，通过系列稀释进一步纯化分离物。

DNA提取和16S rRNA基因扩增。整个细胞DNA是使用小型珠磨机从富集物和纯培养物中提取的。进行PCR以选择性扩增细菌16S rRNA基因，其中引物bact27-f和1492-r用于部分16S rRNA序列。热循环参数如下：在94℃预变性2分钟，接着30个循环的94℃变性30秒，引物52℃退火40秒，72℃延伸1.5分钟。后座保持72℃5分钟，然后冷却至4℃。对于变性梯度凝胶电泳（DGGE），使用引物对968-GC-f / 1401-r扩增细菌16S rRNA基因。热循环参数为如下：在94℃预变性5分钟，然后变性30个循环的94℃变性 1分钟，引物56℃退火40s，72℃延伸1分钟。DGGE的热循环后置步骤在72℃保持30分钟以避免人为造成双波段，然后在4℃冷却。PCR产物的产量和大小通过1％（wt / vol）琼脂糖凝胶进行电泳估算。所有引物均购自MWG-Biotech，且PCR缓冲液、MgCl 2溶液、脱氧核苷酸和Taq聚合酶购自Invitrogen。用于测序的PCR产物用NucleoSpin提取物II试剂盒精制。

DGGE和带切除。扩增子在含有30％至60％变性梯度的甲酰胺和尿素的8％（wt / vol）聚丙烯酰胺运行，如先前描述。通过硝酸银染色观察条带，将DGGE条带切下并放在25mu;l1times;Tris-EDTA缓冲液（pH8）中，在35℃从中提取DNA。扩增的DNA在琼脂糖凝胶上运行以确保正确的扩增，然后在DGGE凝胶上运行以确保纯度。必要时，重新切除条带，重复运行程序直至可以观察到纯度。一旦确认了单带DNA提取物，便对PCR产物进行测序。

16S rRNA基因测序和系统发育分析。16S rRNA基因扩增子使用bact27-f和1492-r和内部引物519-f和1100-r进行测序，而被提取来自DGGE凝胶的单一条带获得的扩增子用968-f和1401-r（28）进行测序。测序是由BaseClear B.V.（荷兰莱顿）执行。序列片段用DNA Baser软件进行编辑和组装，并用NCBI BLAST工具（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov / BLAST）与已知的16S rRNA基因序列进行对比。相关序列在核糖体数据库上进行比对，项目网站（http://rdp.cme.msu.edu/index.jsp）。由于获得的16S rRNA基因序列的大小的差异（细菌分离株，850-1383BP;切除的DGGE带，400bp），系统发育的构建只用来比对序列的共同部分（400bp）。修剪序列导入MEGA 4.0版本，其中的系统发育是基于从中推导出的引导共识来构建的，并且这种使用连接方法已经重复了1000次。

核苷酸序列登录号。描述的核苷酸序列本文以GenBank登录号GQ463723-GQ463735。

结果

启动阳极电极。在启动MFC后，金属涂层电极，Pt-Ti和Ta-Ti都有类似的行为：阳极电位急剧降低并且几乎立即发电。相反，两个未涂覆的Ti电极显示延迟了30小时才开始产生电（i），如电池电压（E）所示，在图1a中（其中i=E / R）。阳极电位Ag /AgCl从第4天到第8天，Ta-Ti的为-478plusmn;2mV，Pt-Ti为-481plusmn;2mV，粗糙的钛为-424plusmn;9mV，光滑的Ti为-404plusmn;10 mV。每当电阻保持恒定或阳极不能恒电位运行，阳极电位值就在整个实验中保持在稳定水平。

生物阳极的电化学表征。在循环伏安法测试中，两种金属涂覆的生物阳极Pt-Ti和Ta-Ti显示出比未涂覆的Ti生物阳极更高的还原 - 氧化活性。针对相应的电压计算所有四种生物阳极的功率密度。以500mV电池电压下的功率密度表示的性能显示Pt-Ti＞Ta-Ti ＞粗糙Ti＞平滑Ti，如图1b所示。Pt-Ti和Ta-Ti生物阳极表现出高功率密度，分别约为粗糙Ti和平滑Ti生物阳极的功率密度3倍 和11倍。粗钛生物阳极的功率密度显示高于光滑Ti生物阳极的大约5倍。通过电位伏安法测试，两种金属涂覆的生物阳极产生可比较的电流密度是未涂覆的电极电流密度5倍。再次，生物阳极性能显示Pt-Ti＞Ta-Ti ＞粗糙Ti＞平滑Ti（图1c）。

主要细菌种群。阳极电解液和Pt-Ti和Ta-Ti生物阳极的DNA分析表明每种样品都存在几种细菌种类。未涂覆电极上的生物膜形成较差（

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