[发明专利]一种加速微生物燃料电池中革兰氏阴性产电菌阳极挂膜效率制剂及应用

说明书

本发明公开了一种加速微生物燃料电池中革兰氏阴性产电菌阳极挂膜效率制剂及应用，以质量百分比计，由如下组分制成:信号分子10％‑60％；铵盐10％‑60％；信号分子保护剂10％‑20％；缓释剂10％‑20％。将待处理废水送入微生物燃料电池的阳极室中，同步或以任一顺序先后向废水中投加所述加速微生物燃料电池中革兰氏阴性产电菌阳极挂膜效率制剂和接种革兰氏阴性产电菌。本发明所述的制剂可提高生物膜生长速度，缩短生物膜的挂膜时间，兼具成本低、适用性广的特点，为微生物燃料电池的扩大工程应用奠定基础。

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，更具体地说，涉及一种加速微生物燃料电池中革兰氏阴性产电菌阳极挂膜效率的制剂。

背景技术

能源短缺和环境污染是现今中国面临的两大难题。近百年来，随着工业革命的迅猛发展，能源已成为人类生存的根本保障和发展动力。但由于化石能源(煤、石油、天然气等)的快速消耗和人口激增，能源危机日渐凸显。此外，大量偷排或未达标排放的废水严重污染了我国水域环境。2013 年到2015年间我国废水排放总量达到2400亿吨。2015年废水中化学需氧量(COD)排放量为2300万吨，治理设施运行费用高达1100亿元，直接能耗高于100亿千瓦时。在如今巨大能源危机胁迫下，消耗大量能源消除废水中的有机污染物实为无奈之举，因此为缓减能源需求压力，兼顾处理废水中的有机污染物，开发新能源、可再生能源已亟不可待。废水中的有机污染物其实也是一种低品位化学能，而微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)的研发为低品位化学能的再生利用提供了一条有效途径。它以可自我再生的产电微生物为催化剂，在常温常压下利用废水中的有机物为电子供体实现产电，相比传统化学电池，具有原料来源广泛、操作条件温和、使用寿命长久、清洁高效且无二次污染等优点，发展前景广阔。但目前在工程电极材料等因素限制下，MFCs远未达到实际的电气化应用水平。

阳极材料作为MFCs生物载体及电子受体，是电流传输的首要限制部件。各种构型的碳材料如碳板、碳布、碳毡等具有优异的生物兼容性和比表面积，是目前MFCs研究中最通用的阳极材料。但是碳材料电阻较大，电导率仅为3x10⁴～1x10⁵Sm^-1，比金属电极至少低三个数量级，严重限制了其在工程应用中的发展。金属材料拥有有益的延展性和导电性，是一类廉价、可放大的工程性电极材料。目前一些革兰氏阴性菌虽具有良好的产电性能，但由于其生物膜较难吸附或包埋在金属电极载体上，从而导致 MFCs较难甚至无法启动，从而影响其产电和处理污染物性能，影响其工程扩大化运用。

群体感应(guorum sensing,QS)是一种细菌细胞间信息传递机制，即细菌通过合成、分泌自诱导分子(autoinducer,AI)作为信号分子，并检测其浓度，当AI浓度随着细菌群体密度达到一定阈值时，启动特异性基因表达。目前已知QS能够调控细菌的多种重要功能如生物膜形成等。其中革兰氏阴性菌主要以AHLs类信号分子，并通过LuxI/LuxR通路进行语言交流。 AHLs是一种小分子化合物，它可以自由穿越细胞壁和细胞膜，其浓度随着环境中细胞密度的增加而增大，当AHLs含量持续不断积累并且浓度达到一定阈值时，结合LuxR蛋白，从而完成对相关基因表达的调控。目前已知环境因子对阴性菌分泌AHLs具有一定影响，从而对阴性菌群体感应产生调控作用。细菌生物膜形成和发育是MFCs启动和运行的关键。

申请号为201611068535.8的中国发明专利申请公开了一种提高废水处理生物膜挂膜效率的装置及方法。虽然其挂膜效率高，但是由于其装置较为复杂，成本较高并且难以普遍适应的特点。

基于此，本发明提供了一种加速微生物燃料电池中革兰氏阴性产电菌阳极挂膜效率的制剂。制剂具有挂膜效率高，制备简易，成本相对较低，且具有普遍适用性。

发明内容

针对现有技术中某些革兰氏阴性菌具有良好产电性能，但其在金属电极存在挂膜效率低、成本高、适用性不广泛的问题，，本发明提供了一种加速微生物燃料电池中革兰氏阴性产电菌阳极挂膜效率的制剂及方法。