[发明专利]一种提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高燃料电池能量利用率的方法。

背景技术

苯酚是芳香化合物的一种，是染料、造纸、农药、医药等行业的生产原料和中间体。随着我国工业迅速发展，对苯酚需求量越来越大，同时含酚废水的排放量也在不断增加，对环境的污染日趋严重，被我国列为“水中优先控制污染物黑名单”。苯酚属于原生质物质，对于一切生物个体具有毒害作用，且具有“三致效应”。未经处理的苯酚废水，不但会污染环境，还会使蛋白质凝结，从而危害人类健康。

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种通过微生物体内的新陈代谢作用将有机物的化学能转化为电能的燃料电池装置。产电微生物可作为催化剂附着在阳极上形成生物膜，使有机物氧化降解，同时将释放的电子传递到阳极表面，形成电流。

目前，利用微生物燃料电池进行苯酚降解的报道越来越多。MFC法降解苯酚主要是利用MFC构成厌氧环境，微生物在厌氧条件下将苯酚羧化为4-羟基苯甲酸，然后经过辅酶A的硫酸化作用而被激活，生成4-羟基苯甲酰辅酶A，进一步脱羟基还原为苯甲酞辅酶A而进入苯甲酸途径，生成乙酰辅酶A，最终转化成乙酸。宋天顺等以600mg/L苯酚为燃料构建MFC，56h后测得苯酚降解率可达88.9％。丁巍巍等利用MFC对苯酚降解，苯酚降解率可达99.63％。虽然获得的苯酚降解率较高，均在90％左右，但是目前MFC处理苯酚多是采用厌氧污泥作为初始接种体。厌氧污泥具有丰富的微生物资源，产电微生物在其中占比不高，所以大部分有机物并没有用来产电，而是被呼吸作用消耗，导致燃料电池的库伦效率偏低。库伦效率是反映微生物燃料电池所降解的有机物用来产电部分所占的比例。库伦效率越大，电子回收率越高，也就是电池的能量转化率越高。骆海萍等利用葡萄糖(1000mg/L)和苯酚(600mg/L)作为燃料，测得MFC的库伦效率为2.3％。范平通过直接驯化方式构建MFC，获得1.47％的库伦效率。蒋胜韬等以葡萄糖(500mg/L)和苯酚(500mg/L)为燃料构建MFC，库伦效率仅为0.48％。

发明内容

本发明是要解决现有可降解苯酚的微生物燃料电池库伦效率偏低，导致能量利用率低的问题，提供一种提高微生物燃料电池能量利用率的方法。

本发明提高可降解苯酚的微生物燃料电池能量利用率的方法，按以下步骤进行：

一、菌种活化：从保存的斜面培养物挑取蜡样芽孢杆菌WL027接种到LB固体培养基中，在24～34℃条件下培养24～48h，得活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物；

二、种子液制备：将步骤一活化的蜡样芽孢杆菌WL027培养物接种到LB液体培养基中，在温度为24～34℃，转速为160r/min的摇床上培养24～48h，使菌液中蜡样芽孢杆菌WL027处于对数中期；

三、将种子液与阳极缓冲液按照体积比1:2的比例放置于微生物燃料电池的阳极室，同时加入葡萄糖和苯酚，使葡萄糖和苯酚的终浓度分别达200～1500mg/L和1000mg/L。

针对阳极为碳毡电极的微生物燃料电池，在使用前对阳极电极碳毡用FeCl₃进行改性，具体方法为：阳极碳毡先用丙酮浸泡3h后，真空抽滤，除去表面的油性物质，再用去离子水冲洗并浸泡煮沸，每隔0.5h换一次水，共煮沸3h；将电极材料放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用；将处理后阳极碳毡用0.1mol/L的FeCl₃溶液浸泡4h后，用去离子水冲洗至黄色消失，将碳毡放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用。

针对阴极为碳刷电极的微生物燃料电池，在使用前对阴极电极处理，具体方法为：将阴极电极碳刷先放入到1mol/L的HCl中浸泡24h后，放入到1mol/L的NaOH溶液中，浸泡24h；然后将碳刷放入120℃的烘箱烘2h后，取出，置于干燥器内待用。

本发明方法适用于任何的微生物燃料电池。

本发明所述蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)WL027可高效降解苯酚，保藏在中国典型培养物保藏中心(CCTCC)，保藏地址是武汉市武汉大学，保藏日期为2015年7月10日，保藏编号为CCTCC No：M 2015439。

本发明的有益效果：

1、本发明中首次用处于对数中期的蜡样芽孢杆菌WL027接种到阳极室，构建MFC。该菌为好氧菌，具有同时降解苯酚和产电的性能，在MFC中的应用目前尚未报道。