模拟微重力提高微生物燃料电池产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法

本发明属于空间生物学领域，具体涉及一种模拟微重力提高微生物燃料电池产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法。

背景技术：

0、技术背景

1、微生物燃料电池(microbial fuel cell,mfc)是一种利用电化学活性微生物(electrochemically active bacteria,eab)催化极化反应的新型电化学装置。eab具有独特的胞外电子传递能力，能够氧化有机物并将有机物氧化产生的电子传递至胞外，形成输出电流。基于这一特点，将mfc应用于污水处理领域，能够在降解污水中有机物的同时将有机物中的化学能转化为电能，实现同步的废水处理和能源回收。与现有的污水处理技术相比，mfc有望克服污水处理高能耗的瓶颈。前期研究已经表明了mfc能够有效地降解生活污水和工业废水同时稳定地产电。产电能够应用于照明、手机充电和传感器供电。而且，扩大化的mfc也已经被构建并应用于中试和长期的废水处理研究，也展现出了较好的污水处理效率和稳定的能量回收能力，这些均表明了mfc在污水处理领域具有良好的应用前景。

2、实际上，eab及mfc研究起源于航天领域。1921年，美国科学家首先发现某些微生物可在特定条件下产生电信号，研究人员将此类具有电化学活性的微生物命名为eab。此后，eab独特的产电特性吸引了美国航空航天局科研人员的注意。美国航空航天局科研人员提出利用eab作为应急电源，提高载人航天任务可靠性。1984年，美国航空航天局科研人员成功制造了一种面向空间应用的mfc，其主要的燃料是宇航员的尿液等排泄物。然而，受限于当时eab产电及生物学机理研究的不足，mfc产电性能极低，难以真正应用于空间领域。

3、尽管如此，mfc和eab研究成为了研究热点，在民用领域迅速发展。经过近几十年的研究，eab产电机理已基本阐明，mfc的产电效率也出现了几百倍的增长，mfc扩大化和商品化应用也快速发展。比如，荷兰的plant-e利用植物根际的eab，以土壤中有机物作为燃料，为移动电话、路灯等设备供电。同时，西英格兰大学的科研人员构建了尿液mfc，将尿液转化为电能，可以给厕所的led灯提供照明。这些基础研究积累和技术进步，为mfc再次应用于空间领域提供了良好的基础。

4、mfc和eab在空间领域有良好的应用前景。mfc有望应用于空间废水处理及水回用。航天员在空间站中长期在轨驻留会产生液体和固体废物，其中尿液是主要的液体废物。尿液处理和水回用能够提高空间生命保障系统的闭合度和可靠性，满足电解水和航天员饮用水需求。然而，尿液处理技术是国际公认难题，空间尿液处理技术主要为蒸馏法。蒸馏法处理尿液水回收率高，但依赖高温高压的反应条件，且能耗极高。mfc能够以尿液作为原料产电，在处理尿液的同时产生电能，有望解决现有空间尿液处理高能耗的问题。

5、然而，受限于稀有的太空实验和空间载荷实验项目资源，mfc在空间领域应用的可行性还尚未见报道。实际上，与地面环境相比，空间独特的微重力环境可能影响mfc性能。这是因为mfc往往是混菌培养体系，而混菌中既包含了具有电化学活性的微生物，即eab，也包含了不具有电化学活性的微生物。微重力能够直接影响微生物基因蛋白表达、代谢产物合成，进而改变微生物的生长代谢、群落演进、形态结构。因此，微重力条件下mfc中两类微生物(eab和不具有电化学活性的微生物)的种类、比例及生物量均可能会发现变化，进而影响mfc性能。

6、为解决这一问题，本发明报道了模拟微重力提高mfc产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法，具体包括：

7、模拟微重力提高微生物燃料电池产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法，其特征在于：在1g重力条件下构建并启动混菌培养的微生物燃料电池，微生物燃料电池启动完成后，将微生物燃料电池放置于模拟微重力条件下运行，在模拟微重力条件下，微生物燃料电池的产电增加；所述方法的原理为：混菌培养的微生物燃料电池中含有电化学活性微生物和非电化学活性微生物，在模拟微重力条件下，微生物燃料电池的总生物量增加，同时电化学活性微生物所占丰度提高，因此电化学活性微生物的生物量提高，导致微生物燃料电池产电增加。

8、如权利要求1所述的微生物燃料电池，包括生物阳极和化学阴极，其中生物阳极种源为天然厌氧环境的混菌，化学阴极的电子受体为铁氰化钾。

9、如权利要求1所述的模拟微重力条件，通过三维旋转仪实现，三维旋转仪的转速为0.3-15rpm，旋转为9自由度旋转，中心重力矢量累积值为0。

10、如权利要求1所述的模拟微重力提高微生物燃料电池产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法，其中电化学活性微生物在属水平包括geobacter，非电化学活性微生物包括rhodobacter、nitratireductor、arcobacter、dysgonomonas、azonexus、lentimicrobium、sphaerochaeta、cellulomonas、desulfovibrio和acidovorax。

11、如权利要求1所述的微生物燃料电池产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法，其中电化学活性微生物在种水平包括geobacter sulfurreducens、geobacter sp.dsm9736、geobacter pickeringii、geobacter uraniireducens、geobacter sp.or-1和geobacter metallireducens，非电化学活性微生物包括bacteroidia bacterium 44-10、azonexus hydrophilus、lentimicrobium saccharophilum、sphaerochaeta pleomorpha和sphaerochaeta globosa。

12、与前期文献报道相比，本专利首次公开了模拟微重力对mfc产电的影响，同时揭示了模拟微重力提高mfc产电的生物学机制，即模拟微重力能够提高mfc的总生物量和混菌中eab比例，导致mfc中eab生物量提高，进而产电增加。

技术实现思路

技术特征：

1.模拟微重力提高微生物燃料电池产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法，其特征在于：在1g重力条件下构建并启动混菌培养的微生物燃料电池，微生物燃料电池启动完成后，将微生物燃料电池放置于模拟微重力条件下运行，在模拟微重力条件下，微生物燃料电池的产电增加；所述方法的原理为：混菌培养的微生物燃料电池中含有电化学活性微生物和非电化学活性微生物，在模拟微重力条件下，微生物燃料电池的总生物量增加，同时电化学活性微生物所占丰度提高，因此电化学活性微生物的生物量提高，导致微生物燃料电池产电增加。

2.如权利要求1所述的微生物燃料电池，包括生物阳极和化学阴极，其中生物阳极种源为天然厌氧环境的混菌，化学阴极的电子受体为铁氰化钾。

3.如权利要求1所述的模拟微重力条件，通过三维旋转仪实现，三维旋转仪的转速为0.3-15rpm，旋转为9自由度旋转，中心重力矢量累积值为0。

4.如权利要求1所述的模拟微重力提高微生物燃料电池产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法，其中电化学活性微生物在属水平包括geobacter，非电化学活性微生物包括rhodobacter、nitratireductor、arcobacter、dysgonomonas、azonexus、lentimicrobium、sphaerochaeta、cellulomonas、desulfovibrio和acidovorax。

5.如权利要求1所述的微生物燃料电池产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法，其中电化学活性微生物在种水平包括geobacter sulfurreducens、geobactersp.dsm9736、geobacter pickeringii、geobacter uraniireducens、geobacter sp.or-1和geobacter metallireducens，非电化学活性微生物包括bacteroidia bacterium44-10、azonexus hydrophilus、lentimicrobium saccharophilum、sphaerochaeta pleomorpha和sphaerochaeta globosa。

技术总结
本发明公开了一种模拟微重力提高微生物燃料电池产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法。微生物燃料电池是利用电化学活性微生物产电的新型电化学装置，在空间领域具有良好的应用前景。然而，微生物燃料电池应用于空间领域的可行性尚未见报道。其中，关键的科学问题是空间独特的微重力条件如何影响微生物燃料电池及电化学活性微生物尚不清晰。为解决这一问题，本发明公开了一种模拟微重力提高微生物燃料电池产电、电化学活性微生物丰度及生物量的方法。在模拟微重力条件下，微生物燃料电池的总生物量增加，同时电化学活性微生物所占丰度提高，因此电化学活性微生物的生物量提高，导致微生物燃料电池产电增加。本发明为微生物燃料电池在空间领域应用的可行性提供了理论基础。

技术研发人员：易越,赵子玥,王保国,罗爱芹
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16