苍白杆菌在制备微生物燃料电池中的应用及其装置和方法

摘要

本发明公开了苍白杆菌在制备微生物燃料电池中的应用及其装置和方法，苍白杆菌Ochrobactrum sp.5753rd-generation由中国典型培养物保藏中心保藏，保藏编号为：CCTCCNO：M2013549，保藏日期为2013年11月6日，该菌可在厌氧条件下传递电子至胞外电子受体，能够利用木糖作为单一碳源进行产生电能，并且产电活性强，在生物能源回收利用中具有很好的应用前景。

权利要求

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1.苍白杆菌（Ochrobactrumsp.）575 3 -generation，由中国典型培养物保藏中心保藏，保藏编号为CCTCC NO：M 2013549。

2.权利要求1所述苍白杆菌在制备微生物燃料电池中的应用。

3.利用权利要求1所述苍白杆菌制备的微生物燃料电池。

4.根据权利要求3所述的微生物燃料电池，其特征在于：包括阳极腔和阴极腔，所述阳极腔和阴极腔之间用质子交换膜隔开，所述阳极腔和阴极腔分别设置有阳极和阴极，所述阳极和阴极通过导线相连，所述阳极腔为含苍白杆菌的培养液，所述培养液以木糖为碳源，所述阴极腔为六合铁氰化钾的磷酸盐缓冲液。

5.根据权利要求4所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极电极或阴极电极为碳刷。

6.根据权利要求4所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述导线为钛丝。

7.根据权利要求4所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述六合铁氰化钾的磷酸盐缓冲液的浓度为20-200mmol。

8.根据权利要求4-7任一项所述的微生物燃料电池，其特征在于：所述培养液中各组-1 -1 -1 -1分浓度如下：碳酸氢钠10g·L ，磷酸二氢钠8.5g·L ，酵母提取物5g·L ，木糖10g·L 。

9.权利要求4-8任一项所述微生物燃料电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将阳极腔和阴极腔用质子交换膜隔开，然后通过导线将阳极和阴极连接；

（2）取对数生长期的苍白杆菌加入新鲜的以木糖为碳源的培养基中，然后加入阳极腔，并向阳极腔中通入氮气去除氧气，再向阴极腔中加入六合铁氰化钾的磷酸盐缓冲液，得微生物燃料电池。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述质子交换膜使用前做如下处理，将质子交换膜依次用质量分数为0.5%的双氧水、去离子水、质量分数为1%的硫酸、去离子水煮沸20分钟。

说明书

苍白杆菌在制备微生物燃料电池中的应用及其装置和方法

技术领域

[0001] 本发明属于生物化学燃料电池领域，特别涉及苍白杆菌在制备微生物燃料电池中的应用，还涉及由苍白杆菌制备的微生物燃料电池和微生物燃料电池的制备方法。

背景技术

[0002] 随着石油煤炭等传统燃料的日益枯竭，寻找新的绿色可持续能源迫在眉睫。木糖是一种可再生的资源，源于其广泛存在于玉米秸秆等农业废弃物中。如果能够有效的利用木糖产电，不但有助于农业废弃物的处理，也有利于解决日益严重的能源问题。

[0003] 微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）通过微生物的新陈代谢作用氧化有机物，产生的电子经过一系列的传递，到达胞外的电极，再通过外电路传递至阴极；产生的质子通过质子交换膜到达阴极，再与阴极中的氧气和电子结合生成水，因此它是一种洁净的可再生的能源，同时MFC能够降解水中的有机物，可用于解决环境问题。

[0004] 微生物是影响微生物燃料电池性能的一个很重要的因素。目前用于分解木糖的微生物燃料电池中都是利用混合菌作为催化剂。虽然混合菌燃料电池的产电功率较高，但因为其产电菌和产电机理的不明确阻碍了产电能力的进一步提高。单菌微生物燃料电池的产电效率相对于混菌燃料电池较低，但产电机制明确，这有助于进一步认识微生物燃料电池的产电原理以继续提高其放电能力。

[0005] 因此，急需一种产电效率高的单菌微生物，为研究微生物燃料电池的产电原理和继续提高微生物放电能力奠定基础。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明的目的之一在于提供苍白杆菌 Ochrobactrum rdsp.5753 -generation；本发明的目的之二在于提供苍白杆菌在制备微生物燃料电池中的应用；本发明的目的之三在于提供利用苍白杆菌制备的微生物燃料电池；本发明的目的之四在于提供微生物燃料电池的制备方法。

[0007] 为实现上述发明目的，提供如下技术方案：

[0008] 1.苍白杆菌Ochrobactrum sp.5753rd-generation，由中国典型培养物保藏中心保藏，保藏编号为CCTCC NO：M2013549。

[0009] 2.所述苍白杆菌在制备微生物燃料电池中的应用。

[0010] 3.利用所述苍白杆菌制备的微生物燃料电池。

[0011] 优选的，所述的微生物燃料电池包括阳极腔和阴极腔，所述阳极腔和阴极腔之间用质子交换膜隔开，所述阳极腔和阴极腔分别设置有阳极和阴极，所述阳极和阴极通过导线相连，所述阳极腔为含苍白杆菌的培养液，所述培养液以木糖为碳源，所述阴极腔为六合铁氰化钾的磷酸盐缓冲液。

[0012] 本发明中质子交换膜使用前做如下处理，将质子交换膜依次用质量分数为0.5%的双氧水、去离子水、质量分数为1%的硫酸、去离子水煮沸20分钟。

[0013] 优选的，所述电极为碳刷或碳基电极。

[0014] 所述导线为金属导线，优选为钛丝。

[0015] 优选的，所述六合铁氰化钾的磷酸盐缓冲液的浓度为20-200mmol，最佳浓度为50mmol。

[0016] 更优选的，所述培养液中各组分浓度如下：碳酸氢钠10g·L-1，磷酸二氢钠-1 -1 -18.5g·L ，酵母提取物5g·L ，木糖10g·L 。

[0017] 4.所述微生物燃料电池的制备方法，包括如下步骤：

[0018] （1）将阳极腔和阴极腔用质子交换膜隔开，然后通过导线将阳极和阴极连接；

[0019] （2）取对数生长期的苍白杆菌加入新鲜的以木糖为碳源的培养基中，然后加入阳极腔，并向阳极腔中通入氮气去除氧气，再向阴极腔中加入六合铁氰化钾的磷酸盐缓冲液，得微生物燃料电池。

[0020] 优选的，所述质子交换膜使用前做如下处理，将质子交换膜依次用质量分数为0.5%的双氧水、去离子水、质量分数为1%的硫酸、去离子水煮沸20分钟。

[0021] 本发明的 有益效果在 于：本发明公开 了苍白杆菌 Ochrobactrum rdsp.5753 -generation，该菌具有具有较强电化学活性，可在厌氧条件下传递电子至胞外电子受体，能够作为MFC的催化剂催化氧化木糖，在氧化木糖的同时产生电能；利用本发明公-3
开的菌株构建的MFC产生最大输出电压为0.552V，最大输出功率密度为2625mW·m ，这要比同类型分解木糖的混菌MFC大20倍左右。同时，该菌株为兼性厌氧型，在产电的过程中不需要严格的厌氧环境，这减小了实际应用中对装置的要求。

附图说明

[0022] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：

[0023] 图1为三次驯化菌MFC的输出电压图。

[0024] 图2为三次驯化菌MFC的输出功率密度图。

[0025] 图3为三次驯化菌MFC的阳极液中剩余木糖图。

[0026] 图4为三次驯化菌菌悬液的循环伏安图。

[0027] 菌种保藏

[0028] 本发明中苍白杆菌Ochrobactrum sp.5753rd-generation是从苍白杆菌（Ochrobactrum）sp.575在含木糖的培养基中经驯化获得产电效率高的菌株，送中国典型培养物保藏中心保藏，保藏编号为CCTCC NO：M2013549，地址位于中国武汉武汉大学，保藏日rd期为2013年11月6日，分类命名为Ochrobactrum sp.5753 -generation。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

[0030] 本发明中使用的培养基如下：

[0031] 木糖培养基各组分含量如下：碳酸氢钠10g·L-1，磷酸二氢钠8.5g·L-1，酵母提取-1 -1物5g·L ，木糖10g·L 。

[0032] LB培养基中各组分含量如下：蛋白胨10g·L-1，酵母提取物5g·L-1，氯化钠-1 -110g·L ，琼脂16g·L 。

[0033] 实施例1

[0034] 取实验室保藏的苍白杆菌Ochrobactrum sp.575，划线培养后挑取单菌落接种至木糖培养基中，在温度为37℃条件下厌氧培养10小时至OD600=0.8-1.0，然后将菌液在6000r/min，4℃离心5分钟收集菌体，再重新加入新鲜的木糖培养基，混匀制成菌悬液，并使菌悬液OD600为1.2。

[0035] 启动微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC），本实施例使用的微生物燃料电池为两个圆柱形池子（单个池子有效容积100mL），中间隔一层质子交换膜，利用夹子将两个池子连在一起，再用橡胶塞密封；碳刷作为阳极和阴极，用钛丝为导线做电子集流体；将制备的菌悬液加入到微生物燃料电池的阳极腔，再通氮气30分钟除去菌悬液中的氧气；启动时，阴极腔中加入100mL含50mmol六合铁氰化钾的磷酸盐缓冲液，外阻为1800Ω，在温度为18～25℃条件下运行，并在启动时开路电压，运行过程中记录最大输出电压（MFC的输出电压（U）用数字万用表采集），结果如表1所示。

[0036] 待该MFC放电一段时间后，从阳极腔中取细菌接种在固体LB培养基中培养，培养一天后，观察菌落的形态，颜色等特性，挑取表面特征差异与之前的菌落没有区别的单菌作为一次驯化菌。然后取一次驯化菌重复上述步骤2次，得到三次驯化菌，并记录其开路电压和最大输出电压，结果见表1。

[0037] 表1.原始菌和驯化菌的放电比较

[0038]菌株 开路电压(mV) 最大输出电压(mV)
原始苍白杆菌 180 124
一次驯化菌 330 192
二次训话菌 383 226
三次驯化菌 680 552

[0039] 由表1可知，原始苍白杆菌的产电效果并不明显，经过三次驯化之后，训化菌的产电能力有很大的提高。然后将三次驯化菌送中国典型培养物保藏中心保藏，保藏编号为CCTCCNO：M2013549，命名为Ochrobactrum sp.5753rd-generation。

[0040] 实施例2

[0041] 将实施例1获得的三次驯化苍白杆菌划线培养后取单菌落接种至木糖培养基中，在温度为37℃条件下厌氧培养10小时至OD600=0.8-1.0，然后将菌液在6000r/min条件下4℃离心5分钟，收集菌体，将菌体中加入新鲜的木糖培养基，混匀制成菌悬液，并控制菌悬液OD600为1.2。

[0042] 启动微生物燃料电池，微生物燃料电池为两个圆柱形池子（单个池子有效容积100mL），中间隔一层质子交换膜，利用夹子将两个池子连在一起，再用橡胶塞密封；碳刷作为阳极和阴极，用钛丝导线做电子集流体。将上述菌悬液加入到微生物燃料电池的阳极腔，再通氮气30分钟除去菌悬液中的氧气。启动时，阴极腔中加入100mL含50mmol六合铁氰化钾的磷酸盐缓冲液，外阻为1800Ω，温度为18～25条件下运行。

[0043] MFC的输出电压（U）用数字万用表采集，MFC的输出电压的实验结果如图1所示，由图1可知，经过三次驯化后的苍白杆菌构建的MFC在接种后的0-20小时内电压快速上升，在24小时输出电压达到了最大值。每次更换培养基后，电压都迅速达到最大值，并且运行4个周期后出现稳定可重复的输出电压，最大输出电压达到了0.552V。

[0044] 电流（I）通过欧姆定律I=U/R计算获得，R为外回路电阻，极化曲线和功率密度曲线的绘制通过调节外回路电阻，测量对应的输出电压后，计算并绘制曲线，结果如图2所2
示。电流密度Is和体积功率密度P分别利用公式Is=U/（RV）和P=U/（RV）计算，其中V为-3
阳极腔的有效容积。由图2可知，在外阻为325Ω时，获得最大功率密度为2625mW·m 。

[0045] 从MFC开始放电后，每隔4小时取少量菌悬液，离心后留下上清液，利用紫外可见分光光度计测量菌悬液的上清中木糖的剩余量，结果如图3所示。结果显示，在培养的24小时内，木糖被快速消耗，20小时后木糖的消耗速率减慢，最终一个放电周期结束后阳极液中剩余的木糖含量为0.2mg/mL。

[0046] 本实施例表明，三次训化菌在MFC中的运行状态良好，能够在不添加外源电子传递中间体的条件下利用木糖产生较高的电能。

[0047] 实施例3

[0048] 将实施例1获得的三次驯化苍白杆菌划线培养后取单菌落接种至木糖培养基中，在温度为37℃条件下厌氧培养10小时至OD600=0.8-1.0，然后取菌液在6000r/min、4℃条件下离心5分钟，收集菌体，然后将菌体加入新鲜的木糖培养基，混匀制成菌悬液，并控制菌悬液OD600为1.2。同时按相同的方法将菌体离心后加入不含木糖的培养基中，制得菌悬液，作为对照，并以不接种菌体的新鲜木糖培养基为空白对照。

[0049] 将上述菌悬液或木糖培养基分别加入电解池中，利用电化学工作站（CHI660E，上海辰华）对菌液进行恒电位（0.2V）模拟放电12小时，然后再进行三电极体系的循环伏安测试，以碳刷作为工作电极和对电极（对电极表面积大于工作电极），Ag/AgCl电极为参比电-1极，扫速为30mV·s ，扫描范围为-0.6V～0V，其结果如图4所示。由图4可知，在有菌的木糖培养基的循环伏安图出现了两对氧化还原峰，而在无菌木糖培养基和无木糖有菌的培养基的循环伏安图中没有出现氧化还原峰，说明菌株确实是以木糖为碳源产电并且产生了氧化还原物质。

[0050] 本实例说明，菌株能够在不添加外源电子中间体的条件下利用菌株自身新陈代谢木糖分泌电子传递中间的方式传递电子，具有较强的电化学活性，可缩减该菌在生物能源回收中的实际应用成本，为其在生物能源回收中的应用提供了保证。

[0051] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。