专利名称：产气肠杆菌在微生物发电方面的应用及其发电方法
技术领域：
本发明属于环境与新能源技术领域，具体涉及产气肠杆菌在微生 物发电方面的应用，以产气肠杆菌为阳极催化剂产生电能的发电方 法。
背景技术：
能源耗竭与有机废弃物处置是当今世界面临的两大难题。 一方 面，化石燃料耗竭与全球气候变暖问题的日益严峻，迫使世界各国高 度重视能源问题，可再生新能源的研发势在必行。构建稳定多样的能 源系统，已成为国家战略安全与可持续发展的重要组成部分。另一方 面，如何处理数量日益庞大的有机废弃物，已成为严重的社会问题， 有机废弃物资源或能源化利用的重要性也日益显现。
微生物燃料电池(Microbial Full Cell, MFC)是利用产电微生物 作为阳极催化剂将有机物中的化学能转化为电能的装置。同常规燃料 电池相比，MFC以微生物代替昂贵的化学催化剂，具有更多优点1) 操作条件温和。在常温、常压下运行；2)无需为防止催化剂中毒提 纯燃料；3)环境友好；4)能量转化率高；5)生物相容性好；6)原 料来源更广泛。理论上，所有可生物降解的有机物均可作为MFC的 燃料，可生物降解的有机物包括有机废水、人畜粪便、厨余垃圾等等 有机废弃物，MFC可在处置有机废物的同时产生清洁电力。
产电微生物作为MFC的阳极催化剂，氧化有机物并还原阳极(即
3向阳极传递电子)的速率是影响MFC输出功率密度的最重要因素。 因此，产电微生物是MFC的核心。目前，已发现的产电微生物有十 多株，主要集中在希瓦氏菌属(幼ew朋eZ/a)与地杆菌属(Geo&flcfer)。 但是作为MFC阳极催化剂，它们存在一定缺陷1)属于严格厌氧 菌，氧气的存在会使其失活或丧失产电活性，不利于菌株大规模培养 与实际应用；2)多数菌株的燃料利用谱较窄，只能利用乙酸、乳酸 等小分子量有机酸作为电子供体(即燃料)产电。当以碳水化合物或 其它复杂有机物作为燃料时，需要首先利用发酵性细菌将其降解为简 单有机酸，才能产电。
产气肠杆菌是自然界中广泛存在的兼性厌氧菌，公开号为 CN101096645发明专利申请中公开了一株具有铁还原活性、兼性厌 氧、电子供体利用谱较广的产气肠杆菌。经文献和专利检索，尚未发 现关于产气肠杆菌具有产电活性的报道。
发明内容
本发明的一个目的是克服现有技术存在的不足，提供产气肠杆菌 在微生物发电方面的应用。
本发明的另一个目的是提供所述产气肠杆菌应用于微生物发电 时的发电方法。
本发明的目的通过以下技术方案来予以实现
提供一种产气肠杆菌作为微生物燃料电池的阳极催化剂在微生 物发电方面的应用。
产气肠杆菌燃料利用谱较宽、兼性厌氧，其特征为短杆状，尺寸范围为1.0 1.7x0.6 0.8Mm,菌落呈白色或黄色，兼性厌氧，厌氧 环境下能以阳极为电子受体，氧化柠檬酸、丙三醇、葡萄糖、蔗糖、 淀粉等多种有机物。利用其作为阳极催化剂构建的微生物燃料电池， 电子回收率高达42 83%。该菌株命名为￡>ife^7acfer "eragew&y XM02，于2007年3月12日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通 微生物中心保藏，编号为CGMCC 1969，同时已在公开号为 CN101096645发明专利申请中公开。
本发明同时提供了所述产气肠杆菌在应用于微生物发电时的产
电方法，具体包括以下步骤
(1) 构建微生物燃料电池；
(2) 制备产气肠杆菌菌体作为微生物燃料电池接种物；
(3) 制备含燃料的阳极液；
(4) 将产气肠杆菌接种物和配制好的阳极液加入微生物燃料电 池阳极室中，静置培养后进行产电检测。
步骤(2)所述制备产气肠杆菌菌体细胞是从保存产气肠杆菌 XM02的斜面接种至常规LB液体培养基中，于30°C 、 200转/分条件 下摇床活化菌体16小时，达到指数生长期后停止培养，菌液在4°C 下8000转/分高速离心10分钟，用0.85%的无菌生理盐水洗涤2次， 重新悬浮于0.85%的无菌生理盐水制备得到接种物。
所述常规LB液体培养基成分为酵母浸膏5g，胰蛋白胨10g， NaC15g，水1000mL， PH7.2 7.6。
所述产气肠杆菌的接种数量为每升阳极液105 107个菌体细胞，阳极液中可作为电子供体的燃料是柠檬酸、丙三醇、葡萄糖、蔗糖或 淀粉等。
作为本实施例的优选方案，所述阳极液的配制包括以下步骤 (一)按照以下配比配制A液
去离子水880毫升;
磷酸氢二钠13.20克；
磷酸二氢钠2.83克；
氯化铵0.28克；
氯化钾0.11克；
氯化钠6.43克；
微量元素溶液IO毫升；
维生素溶液10毫升；
其中，所述的微量元素溶液按照以下配比配制:
去离子水1000毫升;
乙二胺四乙酸钠1.5克；
七水硫酸镁3.0克；
一水硫酸锰0.5克；
氯化钠1.0克；
七水硫酸铁0.1克；
六水氯化钴0.1克；
氯化钙0.1克；
七水硫酸锌0.1克；
6五水硫酸铜 0.1克；
十二水硫酸铝钾 0.01克；
硼酸 0.01克；
二水钼酸钠 0.01克； 所述的维生素溶液按照以下配比配制:
生物素 2.0毫克；
叶酸 2.0毫克；
盐酸维生素B6 10.0毫克；
盐酸硫胺素 5.0毫克；
核黄素 5.0毫克；
烟酸 5.0毫克；
泛酸钙 5.0毫克；
维生素Bu 0.1毫克；
磷氨基苯酸 5.0毫克；
硫辛酸 5.0毫克；
(二) 去离子水中加入燃料配制B液；
例如在100毫升去离子水中加入3克葡萄糖，或者加入0.18克 葡萄糖，或0.36克麦芽糖，或0.34克蔗糖，或3克淀粉，等等，配 制不同的B液。
(三) 将A液、B液分别灭菌，冷却后混合即得阳极液。 本发明同时提供了利用产气肠杆菌为阳极催化剂的微生物燃料
电池，包括阳极、阳极室、阴极和交换膜，以导线连接阴、阳两极形成外电路，阳极室内装入产气肠杆菌菌体细胞和含有燃料的阳极液， 密封；所述阳极采用普通碳毡，所述阴极采用镀铂碳纸。其产电原理 为有机物作为燃料在厌氧阳极室中被产气肠杆菌氧化，产生电子与 质子，其中，电子被产气肠杆菌捕获并传递给电池阳极，电子通过外 电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过交换膜到达阴极， 与氧反应生成水。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果
(1) 利用产气肠杆菌XM02作为微生物燃料电池的阳极催化 剂，此菌属于兼性厌氧菌，易于培养，在氧气存在条件下不会失活， 可通过定期加入培养基质，长期维持其产电活性，运行成本较低。
(2) 产气肠杆菌XM02的燃料利用谱较广，能利用拧檬酸、丙 三醇、葡萄糖、蔗糖、淀粉等多种有机物产电，有机物氧化彻底，电 子回收率较高。
(3) 本发明为产气肠杆菌开拓了新的应用领域，为MFC提供了 一种新的适用性更强的产电微生物。
图1以产气肠杆菌为阳极催化剂的微生物燃料电池结构原理图
图2产气肠杆菌产电活性图
图3产气肠杆菌利用葡萄糖为燃料产电情况
图4产气肠杆菌利用麦芽糖为燃料产电情况
图5产气肠杆菌利用蔗糖为燃料产电情况
图6产气肠杆菌利用淀粉为燃料产电情况
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例来进一步详细说明本发明。 实施例1产气肠杆菌产电活性验证
(1) 构建微生物燃料电池 本实施例按照现有技术和方法构建了利用产气肠杆菌发电的微
生物燃料电池，如附图1所示，包括阳极室、阴极室、交换膜及外电 路四部分。以普通碳毡为阳极电极，以镀铂碳纸作为阴极电极，以导 线连接阴、阳两极。
(2) 从保存产气肠杆菌XM02的斜面接种至常规LB液体培养 基中，于3(TC、 200转/分条件下摇床活化菌体16小时，达到指数生 长期后停止培养，菌液在4"C下8000转/分高速离心10分钟，用0.85% 的无菌生理盐水洗涤2次，重新悬浮于0.85%的无菌生理盐水，作为 微生物燃料电池接种物；
(3) 向阳极室中加入配制好的含有燃料的阳极液，然后接种产 气肠杆菌，使每升阳极液中菌体数量达到5xl()S个，3(TC下静置培养；
(4) 将阳极、阴极通过500欧姆外阻连接，在线监测输出电压。 其中，阳极液(a)的配制方法如下
(一)配制A液880毫升去离子水中加入13.197克磷酸氢二 钠、2.831克磷酸二氢钠、0.275克氯化铵、0.11克氯化钾、6.428克 氯化钠、IO毫升微量元素溶液和IO毫升维生素溶液，混合配制成A(三)将A液、B液分别按照本领域实验室常规灭菌，待冷却 至3(TC混合。
根据输出电压数据，计算电子回收率与获得产电极化曲线图，具 体结果见图2所示，结果表明最大功率密度为280mW/m2，电子回收 率为62.5%。
实施例2产气肠杆菌利用葡萄糖为燃料的产电实验 实验方法和步骤同实施例1。 阳极液(b)的配制
(一) 配制A液，方法同实施例l;
(二) 配制B液100毫升去离子水中加入0.18克葡萄糖；
(三) 将A液、B液分别按照本领域实验室常规灭菌，待冷却 至室温混合得到阳极液(b)。
阳极室中加入80毫升阳极液(b)，接种产气肠杆菌，使每升阳 极液中菌体数量达到5xl()S个，3(TC下静置培养；阳极、阴极通过500 欧姆的外阻连接，监测其输出电压，结果如附图3所示。 实施例3产气肠杆菌利用麦芽糖产电的实验
实验方法和步骤同实施例1，不同的是B液的配制是在100毫升 去离子水中加入0.36克麦芽糖；输出电压变化如图4所示。 实施例4产气肠杆菌利用蔗糖产电的实验
实验方法和步骤同实施例1，不同的是B液的配制是在100毫升 去离子水中加入0.34克蔗糖；输出电压变化如图5所示。 实施例5产气肠杆菌利用淀粉产电的实验实验方法和步骤同实施例1，不同的是B液的配制是在100毫升 去离子水中加入3克淀粉，输出电压变化如图6所示。
权利要求
1、一种产气肠杆菌的应用，其特征在于作为微生物燃料电池的阳极催化剂应用于微生物发电。
2、 一种权利要求1所述产气肠杆菌应用于微生物发电的发电方法，其特征在于包括以下步骤(1) 构建微生物燃料电池；(2) 制备产气肠杆菌菌体作为微生物燃料电池接种物；(3) 制备含燃料的阳极液；(4) 将产气肠杆菌接种物和配制好的阳极液加入微生物燃料电池阳极室中，静置培养后进行产电检测。
3、 根据权利要求2所述产气肠杆菌应用于微生物发电的发电方 法，其特征在于步骤(2)所述制备产气肠杆菌菌体细胞是从保存产 气肠杆菌XM02的斜面接种至常规LB液体培养基中，于30°C 、 200 转/分条件下摇床活化菌体16h，达到指数生长期后停止培养，菌液在 4。C下8000转/分高速离心10分钟，用0.85%的无菌生理盐水洗涤2 次，重新悬浮于0.85%的无菌生理盐水制备得到接种物。
4、 根据权利要求2所述产气肠杆菌应用于微生物发电的发电方 法，其特征在于所述步骤(3)所述燃料为柠檬酸、丙三醇、葡萄糖、 蔗糖或淀粉。
5、 根据权利要求2所述产气肠杆菌应用于微生物发电的发电方 法，其特征在于步骤(3)所述产气肠杆菌以每升阳极液105 107个 菌体的接种量加入微生物燃料电池阳极室中。
全文摘要
本发明公开了产气肠杆菌在微生物发电方面的应用及发电方法。所述产气肠杆菌可作为微生物燃料电池的阳极催化剂应用于微生物发电方面，本发明同时提供的发电方法包括构建微生物燃料电池、制备产气肠杆菌接种物、制备含燃料的阳极液、将产气肠杆菌接种物和配制好的阳极液加入微生物燃料电池阳极室中，静置培养后进行产电检测等步骤。本发明利用的产气肠杆菌属于兼性厌氧菌，易于培养，在氧气存在条件下不会失活，可通过定期加入培养基质，长期维持其产电活性，运行成本较低；同时其燃料利用谱较广，生物氧化彻底，电子回收率较高。
文档编号H01M8/16GK101320820SQ20081002922
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月4日 优先权日2008年7月4日
发明者周顺桂, 莉 庄, 邓丽芳 申请人:广东省生态环境与土壤研究所