利用微生物电池研究微生物在矿物表面电子传递过程

D01:10.13374j.isml00103x2006.11.002 第28卷第11期 北京科技大学学报 Vol.28 No.11 2006年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2006 利用微生物电池研究微生物在矿物 表面电子传递过程 冯雅丽)李浩然2》 连静”周良2》 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100080 摘要利用微生物电池对微生物在矿物表面电子传递的过程进行了实验研究.结果表明： Geobacter metallireducens还原Fe(OH)3过程中直接接触方式起着重要作用，而微生物在矿物表面 吸附形成的生物膜是一个关键因素.生物膜的形成又是一个相对较长的过程：细胞在固体表面的 吸附并成膜是一种重要的代谢途径而电子传递中间体AQDS虽然能在初期有效加快还原速率， 但是当细胞吸附完成后.其作用就不再显著了，说明微生物催化矿物氧化还原反应动力学受生物 膜控制.加速微生物在物表面成膜及保持其稳定性是影响微生物浸矿速率的重要因素， 关键词矿物表面：微生物：电子传递：生物膜：电子传递中间体：微生物电池 分类号TD9255:TD981TD982 微生物催化MnOz-FeS2H2S04体系的好氧 的沉积物中分离（大洋样品库提供），经多代培养 和厌氧浸出实验表明，厌氧浸出速率明显高于好 驯化.培养基成分如下(1L):KCI0.1g,NH4Cl 氧浸出山，同时，镜检发现厌氧条件下吸附在氧 0.2gNaH2P0406 g,NaHC032.5 g,Wolfe微量 化锰矿物表面的微生物多于好氧条件下的微生 维生素混合液I0mL,Wolfe微量矿物元素混合液 物？.微生物在浸矿过程中如何将电子传递给固 10mL,电子供体NaAc(醋酸钠)10mmol调 体氧化物的问题，一直是国内外学者研究的热点. pH6.8~7.0.利用NC02(8020,体积比)除去 在进行大洋多金属矿生物还原的研究中，设计了 灭菌前培养基中的氧气后，分装入厌养培养管中， 一套微生物燃料电池体系到，利用生物燃料电池 121C灭菌15min,在厌养培养箱进行必要的转接 模拟细胞表面电化学过程来研究微生物在矿物表 等操作，整个过程严格厌养培养.电子受体 面传递电子的过程 Fe(OH)3100mmol灭菌后加入，其他可选的最终 微生物电池体系不仅能克服Fe(OH)3还原 电子受体富马酸钠，Fe的螯合物Fe一NTA(氨三 培养体系中的二次成矿等原因带来的干扰因素， 乙酸)须过滤灭菌后加入.培养温度为30℃. 而且氧化还原速率可以直接通过外电路电流记 微生物电池的构建：如图1所示，由阴极、阳 录，能准确、迅速地反应出微生物将电子传递给固 极两个电极室构成，通过质子交换膜(Nafion一 态的电子受体的过程.微生物电池能更详实地研 117,Dupont)连接，每个电极室装入溶液体积 究直接接触方式和通过电子传递中间体方式对胞 250mL.电极均为不抛光的高纯石墨电极.物理 外电子传递的影响) 表面积75cm2,使用前用1 mol HCI浸泡去处杂质 离子，使用完后再用1.0molL1的NaOH浸泡 1 实验材料与方法 以除去其表面吸附的细胞.阳极接种细菌，接种 前通NC02(8020.体积比)混合气除尽装入的 微生物：Gebacter metal lireducens,由中国 “大洋一号”考察船DY10513航次在太平洋取得 培养基的氧气，接种后密封或者缓慢通混合气. 阴极持续通空气，保持其内溶解氧的浓度.两极 收稿日期：2005-07-28修回日期.200603-16 室均缓慢搅拌， 基金项目：国家自然科学基金资助项目(Na20476009No. Fe2+及Fe+浓度的测定：Ferrozine法；电池 20576137):国家长远发展专项资助项目(NaDY105040一 阳极内细胞浓度测定：考马斯亮兰法(Bradford 08)片国家“973”计划资助项目(No.2003CB716001) 作者简介：冯雅丽(1967一)，女，副教授 法)测细胞破碎后对应蛋白质浓度：电流采集：瑞 (C1994-2019 China Academie Jouma Eer Pu搏张焦音的29IH型数据采集器，l.,3识通ki.net

利用微生物电池研究微生物在矿物 表面电子传递过程 冯雅丽 1) 李浩然 2) 连 静 1) 周 良 2) 1)北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2)中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室, 北京 100080 摘 要 利用微生物电池对微生物在矿物表面电子传递的过程进行了实验研究.结果表明: Geobacter metallireducens 还原 Fe(OH)3 过程中直接接触方式起着重要作用, 而微生物在矿物表面 吸附形成的生物膜是一个关键因素, 生物膜的形成又是一个相对较长的过程;细胞在固体表面的 吸附并成膜是一种重要的代谢途径, 而电子传递中间体 AQDS 虽然能在初期有效加快还原速率, 但是当细胞吸附完成后, 其作用就不再显著了, 说明微生物催化矿物氧化还原反应动力学受生物 膜控制.加速微生物在矿物表面成膜及保持其稳定性是影响微生物浸矿速率的重要因素. 关键词 矿物表面;微生物;电子传递;生物膜;电子传递中间体;微生物电池 分类号 TD925.5 ;TD98.1;TD98.2 收稿日期:2005 07 28 修回日期:2006 03 16 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.20476009 , No . 20576137);国家长远发展专项资助项目(No.DY105-04-01- 08);国家“ 973”计划资助项目(No .2003CB716001) 作者简介:冯雅丽(1967—), 女, 副教授 微生物催化 M nO2-FeS2-H2SO4 体系的好氧 和厌氧浸出实验表明 , 厌氧浸出速率明显高于好 氧浸出[ 1] , 同时, 镜检发现厌氧条件下吸附在氧 化锰矿物表面的微生物多于好氧条件下的微生 物[ 2] .微生物在浸矿过程中如何将电子传递给固 体氧化物的问题 ,一直是国内外学者研究的热点. 在进行大洋多金属矿生物还原的研究中 ,设计了 一套微生物燃料电池体系[ 3] , 利用生物燃料电池 模拟细胞表面电化学过程来研究微生物在矿物表 面传递电子的过程[ 4] . 微生物电池体系不仅能克服 Fe(OH)3 还原 培养体系中的二次成矿等原因带来的干扰因素, 而且氧化还原速率可以直接通过外电路电流记 录,能准确 、迅速地反应出微生物将电子传递给固 态的电子受体的过程 .微生物电池能更详实地研 究直接接触方式和通过电子传递中间体方式对胞 外电子传递的影响[ 5] . 1 实验材料与方法 微生物:Geobacter metallireducens , 由中国 “大洋一号”考察船 DY105-13 航次在太平洋取得 的沉积物中分离(大洋样品库提供), 经多代培养 驯化.培养基成分如下(1 L):KCl 0.1 g , NH4Cl 0.2 g ,NaH2PO4 0.6 g ,NaHCO3 2.5 g , Wolfe 微量 维生素混合液 10 mL ,Wolfe 微量矿物元素混合液 10 mL , 电子供体 NaAc(醋酸 钠)10 mmol, 调 pH 6.8 ～ 7.0 .利用N2-CO2(80∶20 ,体积比)除去 灭菌前培养基中的氧气后 ,分装入厌养培养管中, 121 ℃灭菌15 min ,在厌养培养箱进行必要的转接 等操作 , 整个 过程严格厌 养培养 .电子受体 Fe(OH)3 100 mmol 灭菌后加入, 其他可选的最终 电子受体富马酸钠 、Fe 的螯合物 Fe-NTA(氨三 乙酸)须过滤灭菌后加入 .培养温度为 30 ℃. 微生物电池的构建:如图 1 所示, 由阴极、阳 极两个电极室构成 , 通过质子交换膜(Nafion - 117 , Dupont)连接 , 每个电极室装入溶液体积 250 mL .电极均为不抛光的高纯石墨电极.物理 表面积 75 cm 2 ,使用前用 1mol HCl 浸泡去处杂质 离子,使用完后再用 1.0 mol·L -1的 NaOH 浸泡 以除去其表面吸附的细胞.阳极接种细菌 ,接种 前通 N2-CO2(80∶20 , 体积比)混合气除尽装入的 培养基的氧气, 接种后密封或者缓慢通混合气. 阴极持续通空气 , 保持其内溶解氧的浓度.两极 室均缓慢搅拌 . Fe 2 +及 Fe 3+浓度的测定:Ferrozine 法;电池 阳极内细胞浓度测定:考马斯亮兰法(Bradford 法)测细胞破碎后对应蛋白质浓度 ;电流采集:瑞 博华生产的 8201H 型数据采集器 , 16 位 , 32 通 第 28 卷 第 11 期 2006 年 11 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.28 No.11 Nov.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.11.002

。1010· 北京科技大学学报 2006年第11期 道，采集精度01mV. mmol醋酸、100 mmol Fe(0H)3灭菌，再接入 氧气/空气 Geobacter metallireducens.一个加入50mmol电 0.22m 负载 0.45m 子介体AQDS(9,10-蒽醌-2,6磺酸钠，另一个 过滤颗 过德膜 不加.在培养箱中进行对照实验，考察AQDS对 Fe(OH)3异化还原速率的影响，发生如下反应： ,微生 Fe(OH)3+CH3COOH 物F2++C02(慢 1) 微生物 AQDS+CH3CHOOH AHQDS+CO2(快) 进样 进样口 (2) 阳极 质子交换膜 阴极 AHQDS-+Fe(OH)3-AQDS-十Fe2+(快) 0电子 (3) 图1微生物燃料电池体系示意图 如图3所示，接种后短时间内，电子传递中间 Fig.1 Schematic diagram of the microbial fuel cell system 体AQDS可以加速Fe(OH)3还原（如式(2）和 实验原理：实验体系中（图2），通过导线连在 (3)):但长时间看，效果不明显.这是由于在 一起的两个石墨电极，其中一个浸没在饱含氧气 Fe(OH)3还原体系中，还原形成的F2+离子会与 的溶液中（阴极室），另一个在浸没在厌养环境下 Fe(OH)3二次成矿形成一种类似Fe304黑色有磁 的培养基中（阳极室）.这样连在一起的两个电极 性的物质，覆盖在Fe(OH)3颗粒表面，阻止细胞 和固态金属氧化物，对研究微生物利用固态电子 对Fe(OH)3颗粒的进一步还原（式(1）). 受体的问题来说有很强的相似性：两者都是固态 的最终电子受体，细胞失去电子传递给金属氧化 32 ◆不加AQDS →加50 umol-L4AQDS 物和石墨电极金属氧化物得到电子后被还原，两 个电极依次得到电子后，最终传递给阴极室内的 溶解氧，溶解氧被还原，与由质子交换膜传过来的 6 氢离子结合形成水.上述过程是细胞呼吸过程中 完整的电子传递链的最后环节，细胞从该呼吸过 程中获得生长、繁殖所需的能量6刀 10 15 20 时间d c负载 图3在厌氧培养箱中Geobacter metalli reducens利用醋酸作 电子供体还原Fe(OHD; Fig.3 Geobacter metallireducens with acetate as electron donor to reduce Fe(OH)3 in an anaerobic incubator OM里胞色素 如果反应初期加入AQDS,会大量累积Fe+ 通过细色害 传递电子纸离子十 离子，迅速在颗粒表面形成黑色顺磁性的物质，在 细胞完全吸附之前，大部分Fe(OH)3颗粒已被黑 质子交换横 用极明极 色顺磁性物质包围，不能再被还原.而在不加入 AQDS的培养基中，随着细胞的缓慢生长Fe2+同 图2微生物电池工作原理 步形成虽然最后同样只能还原一部分Fe(OH)3, Fig.2 Principle of the microbe fuel cell 由图2看出，还是较加入AQDS的体系还原量要 多.Fe(OH)3颗粒较小，而且多了一个阻滞 2 实验结果与讨论 Fe(OH)3还原的干扰因素，给进一步的研究 2.1电子介体AQDS对异化还原Fe(OH)3速率 Fe(OH)3还原过程带来了困难. 的影响 22微生物直接吸附对微生物燃料电池的影响 (C分别在两个厌氧境养箱史把培养基0cPub1is微牛物电池可以克服上述赛验的于扰因素nki.net

道,采集精度 0.1 mV . 图 1 微生物燃料电池体系示意图 Fig.1 Schemati c diagram of the microbial fuel cell system 实验原理:实验体系中(图 2),通过导线连在 一起的两个石墨电极 , 其中一个浸没在饱含氧气 的溶液中(阴极室), 另一个在浸没在厌养环境下 的培养基中(阳极室).这样连在一起的两个电极 和固态金属氧化物 , 对研究微生物利用固态电子 受体的问题来说有很强的相似性:两者都是固态 的最终电子受体, 细胞失去电子传递给金属氧化 物和石墨电极, 金属氧化物得到电子后被还原 ,两 个电极依次得到电子后 ,最终传递给阴极室内的 溶解氧,溶解氧被还原,与由质子交换膜传过来的 氢离子结合形成水.上述过程是细胞呼吸过程中 完整的电子传递链的最后环节, 细胞从该呼吸过 程中获得生长、繁殖所需的能量[ 6-7] . 图 2 微生物电池工作原理 Fig.2 Principle of the microbe fuel cell 2 实验结果与讨论 2.1 电子介体 AQDS对异化还原 Fe(OH)3 速率 的影响 分别在两个厌氧培养箱中加入培养基 、10 mmol 醋酸、100 mmol Fe (OH)3 灭菌, 再接入 Geobacter metallireducens .一个加入 50 mmol 电 子介体AQDS (9 , 10-蒽醌-2 , 6-磺酸钠), 另一个 不加.在培养箱中进行对照实验 , 考察 AQDS 对 Fe(OH)3 异化还原速率的影响 ,发生如下反应 : Fe(OH)3 +CH3COOH - 微生物 Fe 2 ++CO2(慢) (1) AQDS +CH3CHOOH - 微生物 AHQDS +CO2(快) (2) AHQDS +Fe(OH)3 AQDS +Fe 2 +(快) (3) 如图 3 所示,接种后短时间内 ,电子传递中间 体 AQDS 可以加速 Fe(OH)3 还原(如式(2)和 (3));但长时间看 , 效果不明显 .这是由于在 Fe(OH)3还原体系中, 还原形成的 Fe 2 +离子会与 Fe(OH)3 二次成矿形成一种类似Fe3O4 黑色有磁 性的物质, 覆盖在 Fe(OH)3 颗粒表面 ,阻止细胞 对 Fe(OH)3 颗粒的进一步还原(式(1)). 图3 在厌氧培养箱中 Geobacter metallireducens 利用醋酸作 电子供体还原 Fe(OH)3 Fig.3 Geobacter metallireducens with acetate as electron donor to reduce Fe(OH)3 in an anaerobic incubator 如果反应初期加入 AQDS ,会大量累积 Fe 2+ 离子 ,迅速在颗粒表面形成黑色顺磁性的物质,在 细胞完全吸附之前, 大部分 Fe(OH)3 颗粒已被黑 色顺磁性物质包围 , 不能再被还原.而在不加入 AQDS 的培养基中, 随着细胞的缓慢生长, Fe 2 +同 步形成,虽然最后同样只能还原一部分Fe(OH)3 , 由图 2 看出 ,还是较加入 AQDS 的体系还原量要 多.Fe(OH)3 颗 粒较小, 而且多了 一个阻滞 Fe(OH)3还 原的 干扰因 素, 给 进一 步的 研究 Fe(OH)3还原过程带来了困难. 2.2 微生物直接吸附对微生物燃料电池的影响 微生物电池可以克服上述实验的干扰因素, · 1010 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 11 期

Vol.28 No.11 冯雅丽等：利用微生物电池研究微生物在矿物表面电子传递过程 。1011。 通过检测电流判断微生物异化还原的过程.先用 0.5 Fe(OH)3作最终电子受体，让细胞适应固态的电 更换培养基加醋酸盐 子受体，再将其转入富马酸钠作最终电子受体的 0.4 培养基中，最后转接入微生物电池中.电池环境 中惟一的电子受体就是石墨电极.细胞代谢醋酸 02 盐的过程中，细胞膜外累积的还原型细胞色素失 0.1 去电子给阳极石墨棒，电子再通过外电阻达到阴 极石墨，阴极的溶解氧最终得到电子，被还原生成 2000 400060008000 时间min 水匈.电极反应如下： 阳极， 图5微性物燃料电池运行一段时间后，更换培养基和加入 CH3C00H厂+H0 微生物 1mmol醋酸盐电流恢复情况 C02+H++e(4) Fig.5 Current recovery of the microbe fuel cell after a few 阴极， minutes operation when medium was removed and replaced and 02十e+HtH20 (5) when I mmol acetate was added 其中，阳极室产生的H通过质子交换膜可以达 0.5 加醛酸盐 到阴极室。与还原的氧反应生成水.实验表明阳 极反应中，作为电子供体的醋酸盐，可能是因为还 0.3 参与了体内其他的代谢过程或者反应不完全，只 0.2 有约70%的电子可通过外电路回收 由图4可知，从零时刻接种到电流达到一个 稳定的平台，需要一个很长的时间.而如图5所 示，若电池长时间反应后，用新的培养基替换阳极 4000800012000 时间min 溶液，保留原来的电极，不仅不需要再接种细胞。 而且可迅速达到原来的电子传递速率.图6表 图6醋酸盐消耗完后补充1mmol醋酸盐微生物燃料电池电 明，若电池长时间反应后醋酸盐消耗完了，注入醋 流恢复情况 酸盐溶液后，也能迅速回到原来的电子传递水平. Fig.6 Current recovery of the microbe fuel cell after acetate was exhausted and when I mmol acetate was added 这些现象表明，Geobacter metallireducens在利用 固体的石墨电极作最终的电子受体时，真正起主 导作用的是长时间反应后逐渐生长、吸附在电极 上的细胞，这些细胞通过自身的分泌物相互连接 形成致密的生物膜，如图7和图8. 0.5 a:50 umol-L-AQDS b:无AQDS 0.4 2 图7微生物燃料电池阳极表面生物膜形成的扫描电镜图 .1 Fig.7 SEM of bio-film on the anode surface of the microbe fuel cell 2000 4000 6000 时间min 间是微生物吸附在电极上逐渐形成成熟生物膜所 需的时间，电流的大小受生物膜的影响.同样，微 图4利用Geobacter metallireducens构建的生物电池产生电 生物还原金属氧化物时，开始时速度很慢是因为 流情况 微生物还处在慢慢生长、吸附的过程中，一旦生物 Fig.4 Generation electricity situation of the Geobacter metal- 膜成熟，还原速度会达到一个稳定的较高值.当 liredicens ful cell 一个微生物电池长时间运转后，阳极室内代谢副 (C申图利图6可规，达到稳定电流平台的时icPu产物太量累积，悬浮细胞的密度变得相当太个kinc

通过检测电流判断微生物异化还原的过程.先用 Fe(OH)3 作最终电子受体 ,让细胞适应固态的电 子受体 ,再将其转入富马酸钠作最终电子受体的 培养基中, 最后转接入微生物电池中.电池环境 中惟一的电子受体就是石墨电极 .细胞代谢醋酸 盐的过程中 ,细胞膜外累积的还原型细胞色素失 去电子给阳极石墨棒 , 电子再通过外电阻达到阴 极石墨,阴极的溶解氧最终得到电子,被还原生成 水[ 8] .电极反应如下 : 阳极 , CH3COOH -+H2O 微生物 CO2 +H + +e -(4) 阴极 , O2 +e -+H + H2O (5) 其中 ,阳极室产生的 H +通过质子交换膜可以达 到阴极室, 与还原的氧反应生成水.实验表明阳 极反应中 ,作为电子供体的醋酸盐 ,可能是因为还 参与了体内其他的代谢过程, 或者反应不完全 ,只 有约 70 %的电子可通过外电路回收. 由图 4 可知 ,从零时刻接种到电流达到一个 稳定的平台, 需要一个很长的时间.而如图 5 所 示,若电池长时间反应后 ,用新的培养基替换阳极 溶液 ,保留原来的电极, 不仅不需要再接种细胞, 而且可迅速达到原来的电子传递速率 .图 6 表 明,若电池长时间反应后醋酸盐消耗完了,注入醋 酸盐溶液后,也能迅速回到原来的电子传递水平. 这些现象表明 , Geobacter metallireducens 在利用 固体的石墨电极作最终的电子受体时 , 真正起主 导作用的是长时间反应后逐渐生长、吸附在电极 上的细胞 ,这些细胞通过自身的分泌物相互连接, 形成致密的生物膜, 如图 7 和图 8 . 图4 利用 Geobacter metallireducens 构建的生物电池产生电 流情况 Fig.4 Generation electricity situation of the Geobacter metal￾lireducens fuel cell 由图 5 和图 6 可知, 达到稳定电流平台的时 图 5 微生物燃料电池运行一段时间后, 更换培养基和加入 1 mmol醋酸盐电流恢复情况 Fig.5 Current recovery of the mi crobe fuel cell after a few minutes operation when medium was removed and replaced and when 1 mmol acetate was added 图 6 醋酸盐消耗完后补充 1 mmol 醋酸盐微生物燃料电池电 流恢复情况 Fig.6 Current recovery of the mi crobe fuel cell after acetate was exhausted and when 1 mmol acetate was added 图 7 微生物燃料电池阳极表面生物膜形成的扫描电镜图 Fig.7 SEM of bio-film on the anode surface of the microbe fuel cell 间是微生物吸附在电极上逐渐形成成熟生物膜所 需的时间 ,电流的大小受生物膜的影响 .同样 ,微 生物还原金属氧化物时, 开始时速度很慢,是因为 微生物还处在慢慢生长、吸附的过程中 ,一旦生物 膜成熟, 还原速度会达到一个稳定的较高值 .当 一个微生物电池长时间运转后, 阳极室内代谢副 产物大量累积 ,悬浮细胞的密度变得相当大 ,一个 Vol.28 No.11 冯雅丽等:利用微生物电池研究微生物在矿物表面电子传递过程 · 1011 ·

。1012。 北京科技大学学报 2006年第11期 导的传递方式，而且AHODS扩散到石墨电极表 面的阻力也增大，AQDS的作用就不太明显了. AHQDS-AQDS+H+e (6) 3结论 (l)Gebacter metallireducens在还原 Fe(OH)3的过程中，直接接触方式起着重要作用， 吸附形成的生物膜是一个关键因素，而生物膜的 形成是一个相对较长的过程AQDS电子传递中 图8微生物燃科电池阳极截面生物膜的扫描电镜图 间体通过其在细胞与金属氧化物间的电子传递作 Fig.8 SEM of bie film in the aode crosssection of the mi- 用，同样可以降低胞外电子传递过程阻力，在初始 crobe fuel cell 阶段显著加速异化还原. 月后菌体蛋白质质量浓度可达662mgL1.悬 (2)微生物在异化还原铁氧化物时，还原生 浮细胞很大一部分是生物膜老化后解离下来的， 成的F2+离子会与未还原的铁氧化物在其表面 此时更换阳极溶液，除去副产物和悬浮的死细胞。 二次成矿生成的磁铁矿，阻碍微生物异化还原过 可以加速细胞的代谢，提高电池内离子迁移速率 程的继续进行，电子传递中间体复合物在加速 电子传递速率较前一个电流平台稍高一些. Fe+生成的同时，也加速了磁铁矿生成。且两者 2.3AQDS对微生物燃料电池电流的影响 均不能消除这种阻碍. 在微生物电池开始接种时加入AQDS,产电 (3)细胞在固体表面的吸附并成膜是一种重 情况如图4中的a曲线所示，微生物电池运转稳 要的代谢途径，而电子传递中间体AQDS虽然能 定后加入AQDS,产电情况如图9所示. 在初期有效加快还原速率，但是当细胞吸附完成 后，其作用就不再显著了，说明微生物催化矿物氧 加AQDS 化还原反应动力学受生物膜控制.加速微生物在 0.3 矿物表面成膜及保持其稳定性是影响微生物浸矿 速率的重要因素. 02 0.1 参考文献 【刂李浩然冯雅丽。欧阳藩，等.微生物催化还原浸出深海锰 结核中有价金属.北京科技大学学报.200224(2)：153 10002000 3000 时间/min [2 Li H R.Feng Y L.Lu S C.et al.Bio-leaching of valuable metals from m arine nodules under anaerobic condition.Miner 图9AQDS对Geobacter metallireducens产电影响 Eg2005,18(15):1421 Fig.9 AQDS effect on generation current of the Geobacter met- 【3到冯雅丽，周良，祝学远等.Gobacter metallireduens异化 allireducens fuel cell 还原铁氧化物三种方式.北京科技大学学报.200628 (6):524 由图4中的a。b曲线对比可以看出：初期加 【4连静，祝学远，李浩然等.直接微生物燃料电池的研究现 入AQDS电流快速升高，较快达到稳定的最高 状及应用前景.科学技术与工程2005,5(22)：1747 点；而不加AQDS,如前所述需要一个长期的慢 【刘志丹，周良，杜竹玮，等.异化金属还原菌的研究进展。微 慢吸附、生物膜形成的过程.而在电池稳定后，即 生物学通报。2005.32(5)：156 吸附完全、生物膜形成后，再加入AQDS,只是略 [6 Booki M.Shaoan C.Bruce E L.Electricity generation using 微地提高了电流（图9）.实验过程中AQDS参与 membrane and salt bridge microbial fuel cells.Water Res. 2005.39:1675 电极反应，细胞失去电子给AQDS,使其还原成 [7]Sangeun O H.Booki M.Logan B E.Cathode performance as AHQDS(棕红色)（式(2）)：AHQDS再失去电子 a factor in electricity gereration in microbial fuel cells.Environ 给电极，自身被氧化为AQDS(式(6).AQDS在 Sci Technol200438(12):4900 接种的初期，可以很明显的加速电子传递：但形成 [8 Lovely K R.Bond D R.Microbial fuel cells (MFCS)with in 成熟的生物膜后，直接吸附接触的电子传递是主 terpoly mer cation exchange membranes.Sep Purif Techndl. (C)1994-2019 China Academic Journal Electronic PublishAll rights reserved. http://www.cnki.ne

图 8 微生物燃料电池阳极截面生物膜的扫描电镜图 Fig.8 SEM of bio-film in the anode cross-section of the mi￾crobe fuel cell 月后菌体蛋白质质量浓度可达 66.2 mg·L -1 .悬 浮细胞很大一部分是生物膜老化后解离下来的, 此时更换阳极溶液, 除去副产物和悬浮的死细胞, 可以加速细胞的代谢 ,提高电池内离子迁移速率, 电子传递速率较前一个电流平台稍高一些. 2.3 AQDS 对微生物燃料电池电流的影响 在微生物电池开始接种时加入 AQDS , 产电 情况如图 4 中的 a 曲线所示, 微生物电池运转稳 定后加入 AQDS ,产电情况如图 9 所示 . 图 9 AQDS 对 Geobacter metallireducens 产电影响 Fig.9 AQDS effect on generation current of the Geobacter met￾allireducens fuel cell 由图 4 中的 a , b 曲线对比可以看出:初期加 入 AQDS 电流快速升高 , 较快达到稳定的最高 点;而不加 AQDS ,如前所述, 需要一个长期的慢 慢吸附 、生物膜形成的过程 .而在电池稳定后 ,即 吸附完全、生物膜形成后 , 再加入 AQDS ,只是略 微地提高了电流(图 9).实验过程中 AQDS 参与 电极反应 , 细胞失去电子给 AQDS , 使其还原成 AHQDS(棕红色)(式(2));AHQDS 再失去电子 给电极 ,自身被氧化为 AQDS(式(6)).AQDS 在 接种的初期,可以很明显的加速电子传递;但形成 成熟的生物膜后, 直接吸附接触的电子传递是主 导的传递方式, 而且 AHQDS 扩散到石墨电极表 面的阻力也增大,AQDS 的作用就不太明显了. AHQDS AQDS +H ++e - (6) 3 结论 (1 ) Geobacter metallireducens 在 还 原 Fe(OH)3的过程中 ,直接接触方式起着重要作用, 吸附形成的生物膜是一个关键因素, 而生物膜的 形成是一个相对较长的过程, AQDS 电子传递中 间体通过其在细胞与金属氧化物间的电子传递作 用,同样可以降低胞外电子传递过程阻力,在初始 阶段显著加速异化还原. (2)微生物在异化还原铁氧化物时, 还原生 成的 Fe 2 +离子会与未还原的铁氧化物在其表面 二次成矿生成的磁铁矿 ,阻碍微生物异化还原过 程的继续进行 .电子传递中间体复合物在加速 Fe 2 +生成的同时, 也加速了磁铁矿生成, 且两者 均不能消除这种阻碍 . (3)细胞在固体表面的吸附并成膜是一种重 要的代谢途径, 而电子传递中间体 AQDS 虽然能 在初期有效加快还原速率 ,但是当细胞吸附完成 后,其作用就不再显著了 ,说明微生物催化矿物氧 化还原反应动力学受生物膜控制 .加速微生物在 矿物表面成膜及保持其稳定性是影响微生物浸矿 速率的重要因素. 参 考 文 献 [ 1] 李浩然, 冯雅丽, 欧阳藩, 等.微生物催化还原浸出深海锰 结核中有价金属.北京科技大学学报, 2002 , 24(2):153 [ 2] Li H R, Feng Y L , Lu S C , et al.Bio-leaching of valuable metals from m arine nodules under anaerobic condition.Miner Eng , 2005 , 18(15):1421 [ 3] 冯雅丽, 周 良, 祝学远, 等.Geobact er metallired ucens 异化 还原铁氧化物三种方式.北京科技大学学报, 2006 , 28 (6):524 [ 4] 连静, 祝学远, 李浩然, 等.直接微生物燃料电池的研究现 状及应用前景.科学技术与工程, 2005 , 5(22):1747 [ 5] 刘志丹, 周良, 杜竹玮, 等.异化金属还原菌的研究进展.微 生物学通报, 2005 , 32(5):156 [ 6] Booki M , S haoan C , Bruce E L .Electricity generation using memb rane and salt bridge mi crobial fuel cells.Water Res, 2005 , 39:1675 [ 7] Sangeun O H , Booki M , Logan B E .Cathode performance as a fact or in electricity generati on in mi crobial fuel cells.Environ Sci Technol, 2004 , 38(12):4900 [ 8] Lovely K R, Bond D R.Microbial fuel cells(MFCS)with in￾terpolymer cation exchange membranes.Sep Purif Technol , 2005 , 41:321 · 1012 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 11 期

Vol.28 No.11 冯雅丽等：利用微生物电池研究微生物在矿物表面电子传递过程 。1013。 Study on the electron transport process of microbe on the mineral surface using the microbe fuel cell FENG Yali,LI Haoran2,LIAN Jing,ZHOU Liang?) 1)Civil and Environmental Engireering School Uriversity of Science and Techmlogy Beijing.Beijing 100083.Chim 2)State Key Laboratory of Biochemical Engineering.Institute of Pmces Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100080 China ABSTRACT The electron transfer process of microbe on the mineral surface was studied by the use of a microbe fuel cell.The results indicate that direct contact plays an important role in the process of reducing Fe(OH)3 with Geobacte metallireducens,and the bio-film absorbed on the mineral surface is a key factor. Bio-film fommation needs a relative long time.It is an important metabolic way to fomm bio-film by cell-ab- sorption on the solid surface.Although mediate AQDS accelerates the reduction rate effectively at the early stage,but its effectiveness is not significant after the cell-absorption.So the microbe cataly sis mineral oxi- dation-reduction reaction is influenced by bio-film.Accelerating the film formation on the mineral surface and keeping its stability are very important for the microbe leaching rate. KEY WORDS mineral surface;microbe;electron transport;bio-film;mediator;microbe fuel cell (上接第1008页) Effect of coal pillar width on the stress distribution law of surrounding rocks in fully mechanized top-coal caving mining face XIE Guangxiang,YANG Ke,CHANGJucai Department of Resource Exploration and Management Engineering.Anhui University of Science and Technobgy.Huainan 232001.China ABSTRACT Coal pillar width and gatew ay locat ion to face result in the differences of stress redistribut ion and rock seam movement and importantly influence gatew ay stability and maintenance.According to the geological and mining technical conditions of the No.1151(3)fully mechanized top-coal caving (FMTC) mining face in Xieqiao Mine and based on the analy sis of numerical simulation and in-situ observation.the stress distribution and it's variation laws were investigated at different coal pillar widths.The results show that not only coal pillars'stress distribut ion laws but also coal entities'stress distribution laws are different with coal pillar width,and both stress distributions are displaced.The maintenance situation of gatew ay was detemined on the stress distributions of coal entity and coal pillar,and the appropriate width of coal pillar is less than the critical displacing stresswidth. KEY WORDS coal mining;fully mechanized top-coal caving mining face;surrounding rocks;gatew ay; coal pillar w idth;stress dist ribution (C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

S tudy on the electron transport process of microbe on the mineral surface using the microbe fuel cell FENG Y ali 1), LI Haoran 2), LIAN Jing 1), ZHOU Liang 2) 1)Civil and Environment al Engineering S chool, Uni versit y of Science and Tech nology Beijing , Beijing 100083 , C hina 2)St at e Key Laborat ory of Biochemical Engineering , Institute of Process Engineering , Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China ABSTRACT The electron transfer process of microbe on the mineral surface w as studied by the use of a microbe fuel cell .The results indicate that direct contact plays an impo rtant role in the process of reducing Fe(OH)3 w ith Geobacte metallireducens, and the bio-film absorbed on the mineral surface is a key factor. Bio-film fo rmation needs a relative long time .It is an important metabolic w ay to form bio-film by cell-ab￾sorption on the solid surface.Although mediate AQDS accelerates the reduction rate effectively at the early stage , but its effectiveness is not sig nificant after the cell-absorption .So the microbe cataly sis mineral o xi￾dation-reduction reaction is influenced by bio-film .Accelerating the film formation on the mineral surface and keeping its stability are very important fo r the microbe leaching rate . KEY WORDS mineral surface ;microbe ;electron transport ;bio-film ;mediato r;microbe fuel cell (上接第 1008 页) Effect of coal pillar width on the stress distribution law of surrounding rocks in fully mechanized top-coal caving mining face X IE Guangxiang , Y ANG Ke , CHANGJ ucai Department of Resource Exploration and Management Engineering , Anhui University of S cience and Technology , Huainan 232001 , C hina ABSTRACT Coal pillar w idth and gatew ay location to face result in the differences of stress redistribution and rock seam movement and impo rtantly influence g atew ay stability and maintenance .According to the geological and mining technical conditions of the No .1151(3)fully mechanized top-coal caving (FM TC) mining face in Xieqiao Mine and based on the analy sis of numerical simulation and in-situ observation , the stress distribution and it' s variation laws w ere investig ated at different coal pillar widths.The results show that not only coal pillars' stress distribution law s but also coal entities' stress distribution laws are different w ith coal pillar w idth , and both stress distributions are displaced .The maintenance situation of gatew ay w as determined on the stress distributio ns of coal entity and coal pillar, and the appropriate width of coal pillar is less than the critical displacing stress-w idth . KEY WORDS coal mining ;fully mechanized top-coal caving mining face ;surrounding rocks ;gatew ay ; coal pillar w idth ;stress distribution Vol.28 No.11 冯雅丽等:利用微生物电池研究微生物在矿物表面电子传递过程 · 1013 ·