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本研究从广东肇庆某地下古森林土壤样品分离到一株腐殖质/Fe(Ⅲ)还原活性菌,经形态学观察与生理生化试验,结合其16S rRNA基因序列分析,判定该菌为棒杆菌,命名为Corynebacterium sp.MFC03。根据铁还原与电极还原的相似性原理,利用该菌株进行微生物燃料电池(MFC)实验:(1)探索研究了无介体和碱性条件下菌株MFC03驱动MFC产电的可行性;(2)初步探讨了其产电机理;(3)考察了pH、基质浓度、阴极催化剂和介体添加等运行参数对MFC产电性能的影响,以优化菌株MFC03产电性能。
研究结果显示:(1)在无介体和碱性条件下菌株MFC03能够氧化利用多种不同基质进行产电。pH9.0时,以1.0g/L葡萄糖为基质,MFC最高功率密度为7.3mW/m2(136.3mW/m3),对应最大电流密度为32.9mA/m2,库仑效率为5.9%;以1.0g/L乙酸为基质,MFC最高功率密度为16.6 mW/m2(309.2 mW/m3),相应电流密度53.1 mA/m2,库仑效率为18.1%;另外,菌株MFC03还能以乙醇,甲酸、乳酸、木糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖、淀粉、丙酸和丁二酸等有机物为电子供体进行产电;(2)基质更换实验、扫描电镜(SEM)形貌观察和循环伏安测试结果共同证实了菌株MFC03能够自身产生和分泌电子穿梭体介导电子传递。气相色谱-质谱(GC-MS)分析鉴定出该介体为2,6-二叔丁基-1,4-苯醌(2,6-DTBBQ);(3)提高阳极液pH、增加基质浓度、采用铂作为阴极催化剂或添加外源介体均能提高基于MFC03的MFCs电压输出,因此可通过以上途径强化菌株MFC03产电效果。
本论文研究了以革兰氏阳性菌Corynebacterium sp.MFC03作为生物催化剂,MFC在无介体和碱性条件下的产电特性,并阐明了其产电机理。本研究主要有以下几个意义:(1)丰富了产电微生物的种类多样性(包括了放线菌门),为未来MFC研究提供了更多的产电微生物选择;(2)产电机理的研究为进一步详细阐明革兰氏阳性菌产电机制提供了重要依据;(3)能够较好地指导纯菌驱动的碱性环境MFC在工业中的应用。