一种磁场驱动的杂合微生物耦合体系及其构建方法与应用

本发明属于生物电化学，尤其涉及一种磁场驱动的杂合微生物耦合体系及其构建方法与应用。

背景技术：

1、随着资源的过度使用和环境问题的频繁发生，开发新的可持续性能源技术迫在眉睫。微生物燃料电池(microbial fuel cell，mfc)具有降解污水中的有机物同时产生电能的双重功能，受到研究者的广泛关注。微生物燃料电池(mfc)是一种潜在的替代能源并且遵循类似传统燃料电池的概念。mfc电池利用可行的生物电催化功能微生物作为催化剂，能够利用一系列有机燃料来源，通过化学能和电能的能量转换进而产生电流，不依赖于金属催化剂或者其他催化剂的使用。

2、mfc是一种以电活性微生物为催化剂，通过微生物的新陈代谢作用将葡萄糖等小分子直接转化为电能，或者将复杂生物质中蕴含的大量化学能直接转化成电能的绿色产能技术。由于较差的微生物附着在电极上限制了微生物与阳极之间电子转移的有效性，从而影响了mfc的整体性能，导致功率输出降低，阻碍了mfc技术的实际应用。在mfc设计修改和性能提高方面，电极(阴极和阳极)和使用的微生物类型起着至关重要的作用。电极材料的适当选择和设计一直是所有类型燃料电池感兴趣的话题，然而电极的电化学活性面积的提升已达瓶颈期，需要从生物催化剂入手改善生物电化学系统的能量转化性能。

3、因此，针对目前生物电化学系统中生物催化剂与电极之间电子传递效率低，能量转化效率低等问题，研究一种高效的产电菌体系用于生物电化学系统显得尤为重要。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中微生物自身导电性差、生物膜内部电子传递速率慢以及电子介体分泌浓度低等因素，微生物电化学系统的能量转化效率以及输出功率密度较差等问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁场驱动的杂合微生物耦合体系及其构建方法与应用。首先构建磁性纳米材料杂合微生物，再将杂合微生物在磁场驱动下进行生物电催化产生电能和有机废弃物处理。该体系可以构建高活性的微生物，并能够促进电活性细菌在阳极特异性富集，增强产电微生物的电化学活性和电子转移过程，同时可以缩短启动时间，提高开路电压，减少反应器内阻，提高输出功率，对于提高生物电化学系统的产电性能并实现其工业化具有重要意义。

3、本发明的第一个目的是提供一种磁场驱动的杂合微生物耦合体系的构建方法，包括以下步骤，

4、s1、将电活性微生物和磁性纳米材料加入液体培养基中进行摇床培养，摇床培养后经离心，得到杂合微生物；

5、s2、磁场条件下，对s1所述的杂合微生物进行驱动，形成所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系。

6、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述电活性微生物选自大肠杆菌、希瓦氏菌和假单胞菌中的一种或多种。

7、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述磁性纳米材料选自二氧化钛、二氧化锡、四氧化三铁、三氧化二铁、二氧化锰和二氧化铈中的一种或多种；所述磁性纳米材料的粒径为10nm-200nm。

8、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述液体培养基中磁性纳米材料的浓度为1mmol/l-15mmol/l。

9、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述液体培养基为lb液体培养基。

10、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述摇床培养的条件为：温度为25℃-37℃，转速为200rpm-250rpm，时间为12h-18h。

11、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述离心的时间为4min-8min，转速为4000rpm-8000rpm。

12、在本发明的一个实施例中，在s2中，所述磁场的大小为10mt-300mt。

13、本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备的磁场驱动的杂合微生物耦合体系。

14、本发明的第三个目的是提供一种所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系在化学能向电能转化过程中的应用。

15、本发明的第四个目的是提供一种所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系在处理机废弃物中的应用。

16、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

17、(1)本发明所述的构建方法先将磁性纳米材料和电活性微生物有效结合构筑具有特殊电化学活性的杂合微生物，并将杂合微生物与磁场结合构建耦合体系的新方法，成功应用于微生物电化学系统。制备的杂合微生物，结合了磁性纳米材料的理化性质，在磁场的刺激下能促进电活性细菌在阳极特异性富集，能够增强产电微生物的电化学活性和促进电子转移过程，同时可以缩短启动时间，提高开路电压，减少反应器内阻，提高输出功率，大幅增强了生物电化学系统的产电性能。本发明优化了杂合微生物的生物电催化活性、搭建了杂合微生物-电磁场耦合体系并为扩大其应用范围提供了新思路，具有非常好的产业化前景。

18、(2)本发明所述的构建方法简单，原料价格低廉且来源广泛，改善了生物电化学系统的产电性能，对于实现产业化具有重要意义。

技术特征：

1.一种磁场驱动的杂合微生物耦合体系的构建方法，其特征在于，包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系的构建方法，其特征在于，在s1中，所述电活性微生物选自大肠杆菌、希瓦氏菌和假单胞菌中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系的构建方法，其特征在于，在s1中，所述磁性纳米材料选自二氧化钛、二氧化锡、四氧化三铁、三氧化二铁、二氧化锰和二氧化铈中的一种或多种；所述磁性纳米材料的粒径为10nm-200nm。

4.根据权利要求1所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系的构建方法，其特征在于，在s1中，所述液体培养基中磁性纳米材料的浓度为1mmol/l-15mmol/l。

5.根据权利要求1所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系的构建方法，其特征在于，在s1中，所述摇床培养的条件为：温度为25℃-37℃，转速为200rpm-250rpm，时间为12h-18h。

6.根据权利要求1所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系的构建方法，其特征在于，在s1中，所述离心的时间为4min-8min，转速为4000rpm-8000rpm。

7.根据权利要求1所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系的构建方法，其特征在于，在s2中，所述磁场的大小为10mt-300mt。

8.一种权利要求1-7任一项所述的方法构建的磁场驱动的杂合微生物耦合体系。

9.一种权利要求8所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系在化学能向电能转化过程中的应用。

10.一种权利要求8所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系在处理机废弃物中的应用。

技术总结
本发明涉及一种磁场驱动的杂合微生物耦合体系及其构建方法与应用，属于生物电化学技术领域。本发明的构建方法包括以下步骤，S1、将电活性微生物和磁性纳米材料加入液体培养基中进行摇床培养，摇床培养后经离心，得到杂合微生物；S2、磁场条件下，对杂合微生物进行驱动，形成所述的磁场驱动的杂合微生物耦合体系。本发明的构建方法简单，原料价格低廉且来源广泛，改善了生物电化学系统的产电性能，对于实现产业化具有重要意义。

技术研发人员：吴小帅,王孝海,史转转,王智凯,闵子昂,郭春显,李长明
受保护的技术使用者：苏州科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15