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《中国科学技术大学》 2009年
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产电微生物菌种的筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究

黄杰勋  
【摘要】: 由于近年来全球范围的石油能源的短缺和全球变暖导致的极端天气带来的巨大影响,易获得的生物质作为可替代型能源越来越受到关注。微生物燃料电池作为利用电化学活性微生物作为催化剂的产电装置,能将生物质中有机物的化学能直接转化为电能。相比传统的间接能源转化形式,微生物燃料电池这种从原料直接转化电能的方式在理论上将会有更高的能量效率。然而,在实际应用中由于存在诸多限制因素微生物燃料电池产生的电功率输出还停留在较低的水平,有待进一步的优化以提高微生物燃料电池的整体性能。 以乳酸盐作为电子供体和电极作为电子受体在微生物燃料电池内进行富集,从厦门近海样品中共筛选得到五株产电菌。通过在微生物燃料电池中的产电验证,所有的菌株均具有良好的产电性能。通过16S rRNA和gyrB基因序列的分析以及DNA-DNA杂交,将菌株S1、S5和EP1在种属上分别鉴定为Shewanella decolorationis, Shewanella aquimarina和Shewanella marisflavi。DNA-DNA杂交显示S2和S4属于同一种内两菌株,以S4作为模式菌株,综合系统发育分析和表型特征数据,将该菌分类鉴定为Shewanella属内的新种。此外,利用Fe(III)氧化物作为电子受体从温泉口样品中分离到一株超嗜热菌。 EP1菌株由多相分析鉴定为属于Shewanella marisflavi,能在高达1488 mM的离子强度下利用乳酸盐作为电子供体还原Fe(III)和产电。利用该菌在MFC中产电,离子强度为291 mM下测量到的最大电功率为3.6 mW/m2,离子强度提高到1146 mM时,最大电功率增长到9.6 mW/m2,提高167%。然而,进一步提高离子强度到1488 mM,最大电功率下降到5.2 mW/m2。对内电阻的定量分析发现将电极液离子强度从291 mM增加到1488 mM电极液电阻从1178 ?减小到50 ?。这些结果表明分离特异的微生物菌种能有效地提高微生物燃料电池的性能。
【关键词】:微生物燃料电池 希瓦氏菌 离子强度 内电阻
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM911.4
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-15
  • 第1章 绪论15-47
  • 1.1 引言15-16
  • 1.2 微生物燃料电池研究进展16-27
  • 1.2.1 微生物燃料电池的发展简介16
  • 1.2.2 微生物燃料电池基本原理16-23
  • 1.2.3 影响电池性能的因素23-27
  • 1.3 MFC中的微生物27-32
  • 1.3.1 阳极中的微生物27-31
  • 1.3.2 微生物与阳极间电子传递机理31-32
  • 1.3.3 阴极微生物32
  • 1.4 异化金属还原细菌32-45
  • 1.4.1 还原Fe(III)和Mn(IV)的环境33-35
  • 1.4.2 电子供体35-36
  • 1.4.3 电子受体形式36-37
  • 1.4.4 Fe(III)和Mn(IV)还原菌的主要类群37-42
  • 1.4.5 Fe(III)和Mn(IV)的还原策略42-45
  • 1.5 本论文的研究目的及意义45-47
  • 第2章 材料与方法47-69
  • 2.1 材料47-55
  • 2.1.1 样品采集与处理47
  • 2.1.2 工具酶47
  • 2.1.3 试剂盒47
  • 2.1.4 主要试剂47-48
  • 2.1.5 主要仪器48-49
  • 2.1.6 菌株与质粒49-50
  • 2.1.7 寡核苷酸50
  • 2.1.8 分析软件50-51
  • 2.1.9 主要溶液和培养基51-55
  • 2.2 基本方法55-69
  • 2.2.1 微生物燃料电池的构建55-56
  • 2.2.2 厌氧液体的配置56-57
  • 2.2.3 产电菌的富集和分离纯化57-58
  • 2.2.4 超嗜热菌的富集分离与表征58-59
  • 2.2.5 细菌基因组的提取59
  • 2.2.6 16S rDNA和gyrB基因的扩增59-60
  • 2.2.7 菌落PCR60-61
  • 2.2.8 细菌新种的鉴定分析61-65
  • 2.2.9 EP1 菌株的产电能力分析65-66
  • 2.2.10 数据分析与计算66-69
  • 第3章 结果与讨论69-101
  • 3.1 海洋产电微生物菌种的富集、分离和鉴定69-77
  • 3.1.1 结果与分析69-74
  • 3.1.2 讨论74-77
  • 3.2 一种产电菌新种:厦门希瓦氏菌(Shewanell xiamenensis)的描述77-87
  • 3.2.1 结果与分析77-84
  • 3.2.2 讨论84-86
  • 3.2.3 厦门希瓦氏菌新种的描述86-87
  • 3.3 一株超嗜热Fe(III)还原菌的分离与表征87-91
  • 3.3.1 结果与分析87-89
  • 3.3.2 讨论89-91
  • 3.4 产电微生物在MFC中的应用91-101
  • 3.4.1 结果与分析91-97
  • 3.4.2 讨论97-101
  • 结论与展望101-103
  • 参考文献103-114
  • 附录114-118
  • 致谢118-119
  • 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果119-120

【引证文献】
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1 张培远;微生物燃料电池能量特性研究[D];北京工业大学;2011年
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