【摘 要】
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微生物燃料电池（MFC）是一种电化学装置,在学术界受到了广泛的关注。产电微生物对有机物的降解代谢是MFC工作的基础,直接影响到MFC的性能。较低的性能效率限制了MFC的应用。本论文设计了产电微生物的基因工程和筛选获取新产电菌种两条技术路线,以期获得具有较高产电能力和较强有机物降解率的微生物,从而为提升MFC整体性能提供理论和技术支持。论文的主要研究结果如下:1.本论文首先选取了葡萄糖代谢途径中的6
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微生物燃料电池（MFC）是一种电化学装置,在学术界受到了广泛的关注。产电微生物对有机物的降解代谢是MFC工作的基础,直接影响到MFC的性能。较低的性能效率限制了MFC的应用。本论文设计了产电微生物的基因工程和筛选获取新产电菌种两条技术路线,以期获得具有较高产电能力和较强有机物降解率的微生物,从而为提升MFC整体性能提供理论和技术支持。论文的主要研究结果如下:1.本论文首先选取了葡萄糖代谢途径中的6种关键酶作为基因工程的靶点,以大肠杆菌（E.coli）为底盘细胞,采用基因过表达的方法,分别构建了过表达pfk1、pfk2、pk1、pk2、cs和acs 6个野生型基因的E.coli菌株,并各自建立了MFC装置。检测上述各装置的产电效果,结果表明,在5 g/L葡萄糖底物浓度时,PFK1菌株使MFC的开路电压峰值（98.06 m V）比对照组（25.9 m V）提高了278.61%,PK2菌株的开路电压峰值（147.14 m V）提高了468.11%。通过分析MFC装置的电功率密度同样可以看到基因过表达菌株产电能力的提升:PFK1菌株组的电功率密度（0.36μW/cm~2）比对照组（0.14μW/cm~2）提高了158.01%,PFK2菌株组（0.32μW/cm~2）提高了130.87%,PK1菌株组（0.35μW/cm~2）提高了153.83%,PK2菌株（0.27μW/cm~2）提高了93.47%。基因过表达菌株对有机物的降解能力则通过分析阳极液COD值进行比较。结果发现,PK2菌株的有机物降解能力最强,其COD值比对照组降低了80.37%。因此,通过基因过表达手段促进葡萄糖的消耗,能够提高E.coli的产电能力。2.本论文采用过表达nad A基因的方式来促进E.coli胞内NADH/NAD+的合成,并分析该基因过表达手段对E.coli产电能力的影响。结果表明,在5 g/L天冬氨酸底物浓度时,过表达Nad A菌株组的开路电压峰值（70.81 m V）比对照组（15.22 m V）提高了365.24%,电功率密度（0.32μW/cm~2）比对照组（0.26μW/cm~2）提高了21.51%。由此可见,提高NAD+/NADH含量有助于增强E.coli的产电能力。3.以获得电化学性能优秀的产电微生物为目标,除了上述对已知的产电微生物进行基因过表达的方法,另一方法就是菌种选育,即从自然界中筛选获得新的微生物,并探究其在MFC中的表现。本论文使用BG11培养基,在光照条件下从湖水和淤泥中筛选获得7株具有明显光依赖性生长的菌株,经16S r RNA分子鉴定,分别属于微杆菌属、金芽孢杆菌属、根瘤菌属、费氏中华根瘤菌属、红细菌属和门多萨假单胞菌属。将这些菌株引入MFC的阴极室中,同时在阳极室培养E.coli,观察MFC整体性能的情况。结果表明,门多萨假单胞菌属菌株LR134290能够较大幅度提高MFC的整体产电性能,在3 g/L葡萄糖底物浓度时开路电压峰值可达25.83 m V,比对照组的13.68m V提高了88.86%;电功率密度为0.622μW/cm~2,比对照组的0.492μW/cm~2提高了26.42%。随后检测发现,阴极室内的LR134290能够促进阳极室内E.coli对有机物的降解,使其COD值降低到对照组的50.56%。如果将阳极室的微生物换成PFK2或Nad A等基因过表达菌株,LR134290同样能够提升MFC的整体产电性能。获得电化学性能优异的产电微生物对提升MFC性能具有关键的作用。本论文采用基因工程和菌种选育两种技术路线,分别获得了多个新型微生物菌株。过表达糖代谢酶基因的E.coli能够更高效地降解有机底物,提升MFC的开路电压和电功率密度;筛选获得的门多萨假单胞菌（Pseudomonas mendocina）,在MFC阴极室内能够发挥出对阳极室微生物代谢的促进作用,优化增强了MFC的产电性能。本论文的方法和结果为进一步改进MFC提供了有益的参考。
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