。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