摘要


研究了以橋?yàn)吃澹―esmodesmus sp.）A8作為陰極微生物的光微生物燃料電池（photo-MFCs）在不同光強(qiáng)度（0,1500,2000,2500,3000,3500 lx）下的性能。結(jié)果表明，光照使光微生物燃料電池的輸出提高了三倍。當(dāng)光強(qiáng)度從0增加到1500 lx時(shí)，陰極電阻從3152.0Ω降至136.7Ω，而陽(yáng)極電阻從13.9Ω降至11.3Ω。此外，陰極電位從-0.44 V增加到-0.33 V（相對(duì)于Ag/AgCl參比電極），并在光強(qiáng)度從1500 lx增加到3500 lx時(shí)達(dá)到穩(wěn)定平臺(tái)。伴隨電位變化，陰極生物膜內(nèi)的溶解氧（DO）在3500 lx光強(qiáng)度下增加至13.2 mg L?1，而在1500 lx時(shí)降至7.5 mg L?1。這項(xiàng)工作證明光強(qiáng)度通過(guò)改變?nèi)芙庋跎羁逃绊懥艘詷驗(yàn)吃錋8作為陰極微生物的光微生物燃料電池的性能。


1.引言


如今，能源危機(jī)鼓勵(lì)人們探索可再生能源。微生物燃料電池（MFC）是一種可以從污染物中獲取綠色能源的技術(shù)；它為高強(qiáng)度廢水處理提供了可能性。許多微生物，如地桿菌（Geobacter sulfurreducens）、腐敗希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens）IR-1以及一些光合微生物已被研究用于提高微生物燃料電池的性能并擴(kuò)展其功能。微藻通過(guò)光合自養(yǎng)生長(zhǎng)，產(chǎn)生大約一半的大氣氧氣，同時(shí)消耗溫室氣體二氧化碳。由于其高光合作用效率和脂質(zhì)含量，微藻具有生產(chǎn)新型生物燃料能源的潛力。


含有光合微生物的微生物燃料電池被稱為光微生物燃料電池（photo-MFCs）。它作為一種有前景的技術(shù)正在興起，能夠通過(guò)光合微生物的代謝反應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。除了產(chǎn)生生物電，光微生物燃料電池還可以固定二氧化碳和去除含氮污染物。近年來(lái)，微藻因其低運(yùn)行成本和自我再生能力而在陰極反應(yīng)中受到越來(lái)越多的關(guān)注。研究表明，采用的微藻可以為陰極反應(yīng)提供氧氣作為電子受體，并降低氧還原反應(yīng)的過(guò)電位。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)研究仍處于起步階段，發(fā)電量仍然相對(duì)較低。然而，對(duì)光微生物燃料電池性能限制因素的研究迫在眉睫。因此，研究影響微藻生物陰極性能的因素具有重要意義。


微生物燃料電池的陰極反應(yīng)在很大程度上取決于陰極室內(nèi)的氧氣濃度。微藻可以通過(guò)光合作用提供大量氧氣。光供應(yīng)是影響微藻光合作用效率和代謝途徑的最重要因素之一。光照不足和過(guò)度光照都會(huì)阻止藻類的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)。因此，光能的最佳利用是光微生物燃料電池發(fā)展面臨的重大科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)。此外，盡管生物膜內(nèi)的溶解氧已被證實(shí)在生物電化學(xué)系統(tǒng)的性能中起重要作用，但關(guān)于微藻生物膜內(nèi)溶解氧隨光強(qiáng)度變化的信息很少。


橋?yàn)吃澹―esmodesmus sp.）適用于生物柴油生產(chǎn)和廢水處理的耦合系統(tǒng)。在本研究中，研究了光強(qiáng)度對(duì)接種橋?yàn)吃澹ň闍8）的光微生物燃料電池性能的影響。此外，利用微電極技術(shù)揭示了不同光強(qiáng)度下光強(qiáng)度對(duì)生物膜內(nèi)溶解氧濃度的影響，這為深入理解光強(qiáng)度對(duì)以微藻作為陰極微生物的光微生物燃料電池性能的影響提供了見(jiàn)解。


2.材料與方法


2.1.微藻


本研究使用先前分離的橋?yàn)吃錋8作為陰極微生物。該藻保存在裝有BG11培養(yǎng)基的經(jīng)滅菌照明的錐形瓶中。


2.2.光微生物燃料電池的構(gòu)建與運(yùn)行


雙室光微生物燃料電池由有機(jī)玻璃構(gòu)建。陽(yáng)極室和陰極室用陽(yáng)離子交換膜作為隔膜分隔。每個(gè)室的工作體積為125 ml。陽(yáng)極和陰極均由普通石墨氈制成，投影表面積為16 cm2（4x4 cm）。外電路使用鈦線連接，負(fù)載為1000Ω。電極通過(guò)反應(yīng)室的橡膠塞固定。引入Ag/AgCl電極（3 M KCl）作為參比電極。


使用來(lái)自另一個(gè)微生物燃料電池的陽(yáng)極流出物作為陽(yáng)極生物膜的接種物。陽(yáng)極室充滿0.125 L人工廢水，其成分（g L?1）為：0.82 CH?COONa,6.28 KH?PO?,2.0 NaHCO?,10.0 K?HPO?,0.5 Na?SO?,0.5 NaCl和0.2 MgSO?·7H?O；陰極室充滿BG11培養(yǎng)基并接種橋?yàn)吃錋8。一個(gè)在陰極室未接種的平行裝置作為對(duì)照進(jìn)行操作。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，陽(yáng)極室用鋁箔包裹以避免光合細(xì)菌的生長(zhǎng)。


在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，我們測(cè)量了A8的濃度，即將相同濃度的橋?yàn)吃錋8（OD680=0.4）接種到每個(gè)光微生物燃料電池的陰極室。所有光微生物燃料電池均在批次模式下運(yùn)行，外部電阻為1000Ω，溫度28°C，置于帶有冷白色熒光光源的照明培養(yǎng)箱中。研究的光強(qiáng)度為1500,2000,2500,3000和3500 lx，通過(guò)改變燈與光微生物燃料電池之間的距離以及熒光燈的數(shù)量來(lái)控制。為了在本工作中保持相同的藻量，每種光強(qiáng)度下光微生物燃料電池的性能測(cè)試時(shí)間為10小時(shí)。