[发明专利]一种电化学驯化、分离产电微生物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用电化学法驯化微生物电池接种液(工业废水、生活污水等)内产电微生物的方法，通过该方法驯化、分离后所获得的纯种高效产电菌种，及其微生物电池的应用。

背景技术

由于能源的日益短缺，开发新型清洁能源及调整能源结构已成为全世界的共识，在此背景下，生物电化学技术被广泛应用，其中主要包括微生物燃料电池(microbial fuel cell，简称MFC)和微生物电解池(microbialelectrolysis cell，简称MEC)技术，前者是以微生物为催化剂，通过微生物的代谢把储存在生物质内的化学能转换成电能的装置；后者是以微生物为催化剂，在外加电压的协助下，通过微生物的代谢把储存在生物质内的化学能转换成氢能的装置。可以看出，二者通过微生物电池的作用分别产生电能和氢能，并同时降低阳极液COD值，涉及当今能源与环境两大问题的解决。

利用MEC实现对产电菌种的驯化、分离操作。清洁、高效、可再生的氢能被能源界誉为“未来能源”，目前，工业上获取氢气的方法主要是在高温下从天然气中提取。此外，还有水的电解、水的光电解、太阳能制氢、水煤气转化制氢、甲烷裂解制氢及生物质气化等。这些方法虽然能制取氢气，但成本太高或可操作性低。随着氢气用途的扩展，氢气的用量迅速增加，开发经济高效的制氢技术已成为当今社会迫切需要解决的重大课题。

生物电化学制氢技术是目前低成本、高效制氢技术的研究热点。具体地说，MEC工作原理为：在阳极室微生物氧化有机物生成二氧化碳、质子和电子，电子被转移到阳极，通过外电路到达阴极，同时质子通过离子交换膜转移到阴极。阳、阴极反应室是密闭的，保持无氧环境，通过电化学方法利用外电源在MEC电路中增强阴极的电势，一方面提供部分细菌生长所需的能量，另一方面提供电子给阴极。而在阴极质子直接被用作电子受体，产生氢气，同时阳极室溶液COD值降低。

以葡萄糖为例，MEC反应原理图见附图1，MEC制氢基本反应式见式(1)-(3)：

阳极：

C₆H₁₂O₆+6H₂O→24H⁺+24e^-+6CO₂    (1)

阴极：

24H⁺+24e^-→12H₂                 (2)

总反应式：

C₆H₁₂O₆+6H₂O→12H₂+6CO₂         (3)

所以，理论上1mol葡萄糖经生物电化学作用可产生12mol氢气，这种利用有机物直接生产氢气的方法，与电解水相比极大地降低了能耗。该方法利用一个大于理论值110mV(如300mV～400mV)的电压，阴极就可以产生氢气。这个电压要比电解水产生氢气的电压(理论值1210mV，电解液pH为中性)低的多。目前，国内外对该技术的研究尚处于起步阶段。

在Logan Bruce E.等的文章《Electricity-producing bacterial communitiesin microbial fuel cell》(TRENDS in Microbiology，2006，14(12)：512-518)及洪义国等的文章《产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展》(微生物学报，2007，47(1)：173-177)中阐释：微生物的产电活性是生物电化学系统具备良好处理能力(产电速率、溶液COD降解率)的关键。微生物的产电活性主要是指促进微生物降解有机物，产生电子和质子的能力。自然界中微生物种类是一个庞大的系统，有些菌种如果没有中介体传递电子其产电速率极低甚至不产电，又有些菌种自身分泌中介体协助产电，而自身分泌中介体以协助产电的菌种其产电活性也是高低不等，因此，驯化、分离获得高效产电菌种是生物电化学技术处理污水研究中必须首先解决的问题。