[发明专利]在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，属于微生物电化学反应器技术领域。 

背景技术

微生物电化学反应器包括微生物燃料电池、微生物电解池和微生物电化学传感器等。在微生物电化学反应器中，附着在电极表面的电催化细菌生物膜的电催化活性和运行稳定性是决定反应器性能的关键部件，稳定高效的电催化细菌生物膜可提高微生物燃料电池和微生物电解池的能量效率，提高微生物电化学传感器信号响应的灵敏度。电催化细菌生物膜是由具有完整生命代谢功能的产电细菌(有时还包括非产电细菌)细胞及胞外物质共同形成的具有一定空间结构的细胞堆积层。在生物电化学反应器的电极表面上，细菌生物膜具有将反应底物氧化分解，并将氧化过程释放的电子传递到电极上形成电流的电化学催化功能。 

目前，在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法有两种。第一种是恒外阻模式的构建方法，主要步骤有：(1)将细菌接种源接种到反应器的阳极室中，细菌接种源包括取自环境沉积物、污水生物处理厂中的含产电菌的污泥以及在实验室条件下培养出来的含产电菌的培养菌等；(2)将阳极通过某一定值外电阻与阴极接通，构成闭合电路，利用接种到阳极室的细菌在电极表面上进行的适应性生长，形成电催化细菌生物膜。 

第二种是恒电极电势模式的构建方法，主要步骤有：(1)将细菌接种源接种到反应器的阳极室中，细菌接种源包括取自环境沉积物、污水生物处理厂中的含产电菌的污泥以及在实验室条件下培养出来的含产电菌的培养菌等；(2)利用恒电位仪和参比电极控制阳极电势保持某一恒定值，使接种到阳极室中的细菌在电极表面进行适应性生长，形成电催化细菌生物膜。虽然两种方法的电化学控制方法不同，但两种方法实质上都是利用细菌对阳极电势的适应性生长，达到构建电催化细菌生物膜的目的。 

以上两种构建电催化细菌生物膜的方法的不同之处是：在第一种方法中，细菌适应的是动态变化的电势。根据目前公开的资料，利用第一种方法在阳极表面构建电催化活性生物膜过程中，阳极电势(相对于标准氢电极)通常都在约+0.5V～-0.3V的范围内变化。在第二种方法中，细菌适应的是恒定的阳极电势，在生物膜形成过程中，通常将阳极电势保持在某一个固定数值，根据相关资料，在第二种构建方法中，也基本上都是在+0.5V～-0.3V (相对于标准氢电极)的范围内选定一个恒定的阳极电势培养阳极生物膜。 

利用电势适应方法构建出来的电催化细菌生物膜，普遍存在如下不足：(1) 电极能达到的极限工作电流较小，电催化效率低；(2) 电催化细菌生物膜对较高工作电流的承受能力差，当通过电极的工作电流接近或超过其极限电流时，电极会被迅速过度极化，过度极化会造成阳极电势在短时间内(通常不超过10分钟)正移到+1.2V (相对于标准氢电极)以上，这样高的阳极电势会对细菌本身造成不可逆转的伤害，导致电催化细菌生物膜被破坏，失去催化功能。总之，利用电势适应法构建的电催化细菌生物膜，普遍存在着催化活性较小，对高工作电流适应性差的缺点，构建出来的电催化细菌生物膜，即使在营养物质充足的情况下，也无法在接近其极限电流水平的工作电流下连续稳定工作。因此，研发出具有较高催化活性和在较高工作电流下具有运行稳定性的电催化细菌生物膜的构建方法，对于开发稳定高效的生物电化学反应器具有重要的技术意义和广泛的应用推广价值。 

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种在微生物电化学反应器阳极构建电催化细菌生物膜的方法，能够在较高工作电流下稳定运行。