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 ·