[发明专利]一种利用蒽醌类中药植物内含物作为氧化还原中介体强化MFC产电的方法

说明书

本发明公开了一种利用蒽醌类中药植物内含物作为氧化还原中介体强化MFC产电的方法，采用蒽醌类中药植物，经预处理并粉碎后加入到MFC系统的阳极室，作为电子中介体的释放体，强化MFC产电性能和污染物去除性能。本发明对MFC产电和除污效果提升明显，对电活性微生物毒害作用小。

技术领域

本发明属于水污染控制与水处理领域，具体涉及一种利用蒽醌类中药植物内含物作为氧化还原中介体强化MFC产电的方法。

背景技术

在目前水处理技术研究领域中，微生物燃料电池技术由于其具有污染物降解与产电的双重功效，受到全世界科研人员的密切关注。微生物燃料电池技术（Microbialfuelcell，MFC）是利用酶或者微生物作为阳极催化剂，通过其代谢作用将有机物中的化学能直接转化成电能的技术，更新了传统有机污染物处理的概念，在有效处理污染物的同时回收电能。MFC打破了常规的电子传递链，阳极微生物催化氧化有机底物而产生的电子导出细胞，并传递到电极，进而在阴极被TEA（Terminal Electron Acceptor，最终电子受体，如O2 ，铁氰化钾）消耗，从中获取能量；电子不断产生、传递、消耗形成回路，从而产生电流。从另一个角度看，MFC将原氧化还原反应的发生区域从细胞内扩展到了细胞以外的环境，延伸到整个电池结构体系中，进而促进整个电化学体系对常规污染物和难降解污染物的有效去除。而且，由于MFC对于环境中特定污染物的存在和浓度变化会产生相应电流或电位响应，研究者们也利用其这一特性，将MFC作为生物传感器广泛应用于水体中芳香烃、重金属等污染物的在线监测过程中。因此MFC技术有望在污水处理和水体中污染物实时监测领域具有广泛的应用前景。

在MFC系统中起核心作用的就是存在于其阳极室的产电微生物（胞外产电菌）。产电微生物主要通过两条途径进行胞外电子传递：直接电子传递和间接电子传递。直接电子传递是指微生物通过阳极和细菌细胞表面之间的直接接触传递电子的能力，主要发生在附着在电极表面或与表面距离在一定范围内微生物群落中。在距离电极表面超过一定距离后，微生物的电子传递依靠其自身分泌的电子中介体（Electron Medium，EM）或称为电子梭（electron shuttles，ESs）来介导电子传递，如黄素，绿脓菌素，黄酮类物质，醌类物质等。电子中介体是具有催化还原/氧化反应能力的低分子量有机分子。理想的电子中介体具有化学性质稳定且不易生物降解的特征。细菌细胞可利用添加的（外源的）或自产的（内源的）电子中介类化合物用于细胞外电子传递。由于微生物自身分泌的EM数量极为有限且分泌数量和速率极易受外部因素影响，故众多研究者进行了在MFC系统中添加人工电子中介体(外源电子中介体)来强化产电与污染物的去除。早期研究表明，外部添加人工合成EM化合物如硫堇，甲基紫精，2-羟基-1,4-萘醌，中性红，亚甲基蓝，腐殖酸和蒽醌-2,6-二磺酸会促进MFC产能效率和污染物的降解效率提高。然而，外部添加大部分的人工合成的电子中介体物质会对产电菌群有一定的致毒效应，短期提升产电和污染物去除所带来的代价是产电菌种群结构遭到破坏，活性降低，长期运行稳定性下降，这一结果成为限制“通过外加电子中介体提升MFC效率”发展的主要瓶颈。

MFC依据构型可分为单室MFC和双室MFC，双室MFC通常需要质子交换膜或离子交换膜将两室隔开，其作用主要包括两方面：一是作为阳极质子到阴极室的转移通道，维持阴阳极两室pH平衡，二是作为阴阳极室分隔介质，阻隔阴极室O 2 渗透至阳极，避免与阳极竞争电子受体。但质子交换膜或离子交换膜内阻大、价格昂贵和易被污染的特点，成为限制MFC技术规模化应用的最大瓶颈之一。现在最常用的质子交换膜是美国杜邦公司生产的Nafion质子交换膜，价格是＄1400/m 2 ，最简单的离子交换膜CMI-7000价格也高达＄80/m 2 。因此开发价格低廉、传质高效的新型阴阳极室分隔介质十分必要。

发明内容