微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC),是一种利用微生物作为催化剂,直接将有机物的化学能转化为电能,利用生物质来产生可替代能源的装置。产电微生物直接关系到微生物燃料电池的电能产出,但目前对产电微生物的产电过程及相关产电机理尚不清楚,缺少指导调控MFC产电的理论基础。微生物燃料电池的产电现象与其中微生物的胞外电子传递有着直接的关系,要研究其产电机理,首先需要比较研究这类微生物在MFC环境下和在普通培养条件下呼吸代谢的差异,通过此类研究分析来初步揭示其产电机理。其次,微生物燃料电池中微生物种类众多,从中分离出高效产电纯菌进行研究有助于进一步揭示产电微生物的胞外呼吸代谢机理。本论文采用双室MFC,以葡萄糖为基质,通过不同条件的控制来比较研究微生物在MFC条件下的产电代谢机理,并在阳极生物膜上筛选出优势产电纯菌,研究了其产电机理。论文获得的主要研究成果如下:(1)以葡萄糖为单一基质时,微生物在通路及断路情况下对有机物代谢程度差异较大,通路时,微生物对有机物的降解效率更高,基质利用率更好,微生物通过彼此之间的相互协同作用可以对有机物进行更为彻底的氧化分解,并获得更多的细胞生长量。经过断路周期再连通电路时,微生物可以进一步通过产电呼吸将厌氧发酵产生的小分子有机物进行氧化分解,所以产电呼吸与厌氧发酵的结合更有利于微生物对有机物的降解。(2)采用厌氧双层平板法对阳极生物膜上的微生物进行富集分离,为得到优势产电菌,在培养基中加入柠檬酸铁作为胞外电子受体,实验最终得到一株优势产电菌,经biolog鉴定为克雷伯氏菌属的细菌。(3)通过对该纯菌的循环伏安扫描分析,表明该菌具有较强的电化学活性,并且在胞外存在电子受体时就会进行胞外产电呼吸。对该菌培养物进行三维荧光扫描和比较,发现该菌主要是通过利用所分泌的腐殖质作为胞外电子传递的介体来完成产电呼吸的。铁还原性测试的结果表明过量的3价铁没有给菌株带来额外的增长,该菌对3价铁的还原量有限。(4)论文研究认为,胞外呼吸不是Klebsiella oxytoca在无氧条件下的主要呼吸方式,而是当有外在电子受体存在时细菌进行胞内呼吸的一种辅助方式,即使环境中存在充分的胞外电子受体,也不会带来Klebsiella oxytoca生长量的显著增加,该菌无法从胞外还原中获得足够的生长需要的能量,仍然主要是通过胞内呼吸获得细胞生长所需的能量,有机物氧化所产生的电子只有少部分用于胞外电子受体的还原。