微生物燃料电池型海水水质预警装置传感元件的优化

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近年来海上石油、化学品泄漏事件频出,这对海洋生态环境带来了极大的危害和挑战。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一类以微生物为催化剂将有机物质中的化学能转化为电能的装置。当出现具有生物毒性的物质入侵时,微生物催化剂的活性就会受到抑制,从而影响MFC电流的产生。
  相较于生物阳极传感元件,生物阴极传感元件更适合天然水体(如海水)中的水质预警。本研究针对现有生物阴极构建困难、鲁棒性差的问题,采用不同的培养方式(极性反转法和直接培养法)、接种方式、营养盐组成分别构建生物阴极。极性反转法获得生物阴极在转化初始阶段,有出色的阴极催化活性,能将最大功率密度提升332.4%,但是其性能无法维持,在运行2天以上后,生物膜即会彻底失去催化活性。极性反转阴极的生物膜厚且内层富集了死菌,该新陈代谢结构很可能阻碍了阴极电子传递过程,进而影响了阴极催化活性的维持。而直接培养法获得的生物阴极生物膜薄且无死菌内层,因此催化性能好且可以长期维持稳定。其中,以海洋底泥为接种源,在人工海盐培养条件下获得生物阴极,构建迅速(5天)、催化活性高(最大功率密度提升491.8%)、鲁棒性强(在30天的实验周期内保持稳定)。
  本文对营养盐、盐度、接种源等生物阴极构建的关键因素进行分析,结果表明HCO3?,SO42?,Mg2+,Ca2+等离子是构建海洋生物阴极的关键因素。并且这种生物阴极是由嗜盐微生物群落组成的,适合在海水环境中作为传感元件。自养菌组成、薄生物膜、高新陈代谢活性结构的海洋生物阴极具有高催化活性、高稳定性,该生物阴极是最适合MFC海水水质预警装置的传感元件。
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