| 题名 | 利用土壤产电的微生物燃料电池及其修复污染土壤的研究 |
| 作者 | 邓欢 |
| 学位类别 | 博士后 |
| 答辩日期 | 2012-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 赵峰 ; 朱永官 |
| 学位专业 | 生物学 |
| 中文摘要 | 微生物燃料电池（Microbial Fuel cells，MFCs）是依靠微生物分解有机质并将化学能转化为电能的装置。大多数研究以工业或生活废水中的有机质或人工添加葡萄糖、乙酸钠等作为能量来源。有少量研究报道了以植物根系分泌物为能量来源的植物-微生物燃料电池（植物-MFC）。而以土壤有机质为能量来源的MFC则缺乏研究。依靠植物根系分泌物或者土壤有机质产电具有成本低和适用范围广的特点，并且比沉积物-MFC 采用底泥供电具有更广泛的应用。另外，研究依靠植物根系分泌物或者土壤有机质产电的MFC 还有可能应用于土壤污染物修复。 本研究包含以下四方面内容： 1）综述了沉积物-微生物燃料电池中的两种重要形式：土壤-微生物燃料电池（土壤-MFC）和植物-微生物燃料电池（植物-MFC）。土壤-MFC 利用土壤有机质进行产电；植物-MFC 利用植物根系分泌的有机物进行产电。综述建立了针对植物-MFC 的化能-电能转换效率公式，以及从MFC 构型、电极材料和植物种类等几个方面讨论了提高土壤-MFC 和植物-MFC 产电的可行性并计算了这两种MFC 的构建和运行成本。最后提出了这两种MFC 未来可能的研究和发展方向，包括在野外提供辅助能源或支持小型传感器监测环境和野生动物，还有望用于土壤修复、分离纯化土壤中的新型产电细菌、减少稻田甲烷排放以及研究产电过程对植物的生理影响等。 2）运行以土壤有机质为能量来源的土壤-MFC。该MFC 为单室构型，即：阳极埋设在淹水土壤底部，阴极固定在水面。土壤中的产电菌分解有机质所产生的电子通过阳极和导线传递给阴极并与氧气结合，从而产生电流。研究显示欧姆阻抗随着土壤深度的增加而增加，并且阴极的极化阻抗高于阳极，表明氧气还原反应是限制产电提高的原因之一。通过比较不同土壤深度和水深发现，土壤深度在5cm，水深3cm 的MFC 电压和功率密度最高，分别达到562mV（开路）和0.72mW m-2。接着运行该MFC 30 天，发现电压与环境温度具有极显著相关关系。运行结束之后对土壤中和阳极上的16S rRNA 基因进行了测序分析。结果显示，具有胞外产电功能的大肠杆菌和Delta-变形菌纲的细菌在阳极上富集。 3）采用与上述研究相同的单室构型并沿用该研究的电极并通过驯化使得电压达到稳定。在土壤中混入铵盐，使NH4+浓度达到约100 mgkg-1，加入到驯化成功的MFC 中。运行15 天中，我们检测了土壤溶液中氨氮、硝态氮和亚硝态 氮随产电时间的变化，此外还检测了阳极和土壤中氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌 群落。结果表明，产电15 天后，水溶性NH4+浓度从61 mg kg-1 显著减少到12 mgkg-1，盐溶态NH4+浓度从109 mg kg-1 显著减少到23 mg kg-1。在产电和开路对照中，硝态氮含量都迅速下降，而亚硝态氮含量则有上升趋势。测序结果显示阳极碳毡和土壤中的氨氧化细菌主要为亚硝化螺旋菌属（Nitrosospira）和亚硝化单胞菌目（Nitrosomonadales）。阳极上检出了厌氧氨氧化细菌。 4）采用希瓦氏菌在厌氧条件下以Na2SeO3作为电子受体，经过84小时培养生成红色沉淀。沉淀物质经过扫描电镜观察，以及X射线能谱和X射线衍射分析， 明确为硒单质组成的纳米棒，截面直径约在80 nm左右，长度在2-3 μm，为六方晶体结构。将生成的纳米物质修饰到光滑的玻璃电极表面。结果表明，修饰纳米物质的电极比不修饰的对照能够产生更大的电流。 |
| 公开日期 | 2013-12-19 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7174]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_土壤环境科学实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 邓欢. 利用土壤产电的微生物燃料电池及其修复污染土壤的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2012. |
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