【摘 要】
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微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是一种利用微生物新陈代谢,从而将储存在燃料中的化学能直接转化为电能、实现废水资源化,且污泥产量小的装置。然而目前MFC输出电压（<1V）和电流（<1A）都不大,进一步提高MFC产电效能是实用化中必须要解决的问题。现阶段,MFC产电机理尚未完全研究清楚,如何从机理入手来提高MFC产电效能,缺乏理论指导,因此有必要进一步揭示MFC产电机理
【基金项目】
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国家水体污染控制与治理科技重大专项（2009ZX07212-002）；
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微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是一种利用微生物新陈代谢,从而将储存在燃料中的化学能直接转化为电能、实现废水资源化,且污泥产量小的装置。然而目前MFC输出电压（<1V）和电流（<1A）都不大,进一步提高MFC产电效能是实用化中必须要解决的问题。现阶段,MFC产电机理尚未完全研究清楚,如何从机理入手来提高MFC产电效能,缺乏理论指导,因此有必要进一步揭示MFC产电机理。本论文以Klebsiella oxytoca d7菌株（以下简称K.oxytoca d7菌）和Shewanella菌株（Shewanella sp.F1菌）为研究对象、以葡萄糖为燃料构建纯菌双室微生物燃料电池并测试MFC产电性能,对比研究了两种菌的胞外电子传递方式和电子介体传递电子机制的机理,从微生物生长繁殖角度探讨了胞外产电呼吸产能的意义。论文得到如下结果:（1）无论接种了K.oxytoca d7菌还是Shewanella sp.F1菌的MFC都具有启动速度快、输出电压高、产电性能稳定的特点。接种了K.oxytoca d7菌的未包裹型MFC和包裹型MFC对化学需氧量（Chemical Oxygen Demand;COD）的去除率分别是57%和42%,库伦效率分为3.7%和3.1%,内阻为434Ω和1457Ω,最大输出功率密度为4912m W/m2和1481m W/m2。与此对应的接种了S.菌的未包裹型MFC和包裹型MFC的COD去除率分别为59%和45%,库伦效率分别是4.7%和3.2%,内阻分别是317Ω和1213Ω,最高输出功率密度分别是4686 m W/m2和1596m W/m2。虽然产电菌的不同导致两种构型的MFC产电性能略有差异,但是对同一种产电菌而言,构型不同所导致的产电性能变化规律是类似的;（2）实验结果表明K.oxytoca d7菌的胞外电子传递方式有:直接接触电极机制和分泌生理性电子介体传导两种。Shewanella sp.F1菌的胞外电子传递方式有直接接触电极机制、―纳米导线‖机制,以及分泌生理性电子介体传导机制;（3）K.oxytoca d7菌在作胞外产电呼吸时,能自身分泌具有氧化还原活性的电子介体,向胞外传递电子,该种电子介体的氧化还原电位是-0.25V左右。K.oxytoca d7菌只有在作胞外产电呼吸的情况下才能分泌这种电子介体,而Shewanella sp.F1菌在厌氧条件,甚至有氧条件下均会分泌电子介体,因此电子介体的产生条件与产电菌种类有关;K.oxytoca d7菌和Shewanella sp.F1菌的电子介体氧化还原电位均在NADH和辅酶Q之间,两种产电菌向胞外传递的电子大部分都来源于NADH脱氢,说明电子介体截获电子的位点与产电微生物种类无关,只与电子介体的种类有关,电子介体的氧化还原电位决定了其截获电子的位点;对于不同产电菌而言,在碳源充足的情况下,虽然具体数值有所差异,但是胞外电子传递均主要依靠电子介体传递电子机制,而碳源不足时,电子介体对总产电量的贡献也不同程度地减少;（4）比起微生物的厌氧发酵或底物磷酸化,胞外产电呼吸对有机物的分解更为彻底,微生物也能从中获得更多的能量用以生长繁殖,这也是在无电子受体的厌氧环境下微生物选择胞外产电呼吸的根本原因。在一个MFC中,仅有少量的底物用于发电,而用于发电的底物中,又有很少部分真正转化为电能。因此产电量有限。
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