基于生物信号因子的微生物燃料电池阳极及其制备与应用

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池电极领域，尤其是涉及一种基于生物信号因子的微生物燃料电池阳极及其制备与应用。

背景技术

石墨烯纳米材料由于其天然的高比表面积，高导电性，高机械强度，较好的化学稳定性，获取容易，价格低廉等特点，被普遍认为是微生物燃料电池电极合适的修饰材料。石墨烯合成修饰的电极方法有很多，其中还原氧化石墨烯可大幅提高微生物燃料电池(microbialfuelcell,MFC)的产电效能并显著优化阳极电化学活性，促进电子转移速率，降低电极极化阻抗和电子转移阻抗。

许多研究致力于对碳化阳极的改性。例如，引入多孔三维导电支架可以为MFC中的微生物附着和生物膜形成提供高导电性和大量可接近的表面。由于厌氧微生物能够利用GO作为最终电子受体去还原其中的含氧基团，使GO自组装形成纳米片并堆叠成多孔的三维水凝胶。与GO相比，具有高比表面积的微生物还原氧化石墨烯水凝胶(BGH)网络能够将细胞附着和电导率提高几个数量级。例如，杨等人通过Shewanella oneidensis原位生物还原GO，自组装构建了3D大孔rGO/细菌混合生物膜，使MFC中的最大氧化电流增加了25倍(Yong etal.2014)。不仅如此，有报道称，一种酵母菌株Cystobasidium slooffiae JSUX1能在碳毡(CF)阳极表面将GO纳米片还原并组装成三维还原GO水凝胶，使酵母基MFC的生物电能和木糖生物氢气产量提高了两倍(Moradian et al.2022)。因此，BGH修饰阳极被认为是在高性能MFC中有前途的电极。

然而，单菌还原GO的操作复杂，在实际应用过程中有一定局限，对污染物抗毒性能力差，另外也会存在微生物对GO还原不充分的情况，限制了MFC中有机污染物降解，能量输出和其他电化学性能的进一步提高。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种基于生物信号因子的微生物燃料电池阳极及其制备与应用。本发明使用生物信号因子(酰基高丝氨酸内酯类)与水溶性氧化石墨烯(GO)混合，通过原位微生物还原，得到导电的、具有3D多孔结构的还原氧化石墨烯水凝胶(BGH)，用于微生物燃料电池阳极。所述水凝胶生物燃料电池阳极能为微生物提供合适的附着位点，有效促进微生物燃料电池阳极生物膜快速形成，并形成多重导电途径，能大幅度提高微生物燃料电池的产电性能和有机污染物的降解效率。本发明的制备方法简单可控，易于操作、具有良好的实际应用价值。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于生物信号因子的微生物燃料电池阳极的制备方法，具体步骤如下：

S1、制备氧化石墨烯悬浮液；

S2、将微生物营养液、生物信号因子和步骤S1中得到的氧化石墨烯悬浮液混合，并将厌氧污泥接种至其中；

S3、将裸电极浸入步骤S2中接种厌氧污泥的混合液中，通入惰性气体，静置培养，得到微生物还原氧化石墨烯水凝胶(BGH)，所述微生物还原氧化石墨烯水凝胶附着于裸电极表面得到微生物燃料电池阳极。

进一步地，步骤S1中，采用改进Hummers法制备氧化石墨，将氧化石墨分散在水中，超声形成氧化石墨烯悬浮液。

进一步地，步骤S2中，所述微生物营养液含有：0.5g/l NH

进一步地，步骤S2中，所述生物信号因子为酰基高丝氨酸内酯类化合物，所述混合液中生物信号因子的终浓度为10nM-10μM。

上述更进一步地，所述生物信号因子选自C

进一步地，步骤S2中，所述混合液中氧化石墨烯悬浮液的终浓度为0.1-0.8mg/ml。

进一步地，步骤S2中，所述厌氧污泥取自污水处理厂的厌氧池中。

进一步地，步骤S2中，将厌氧污泥接种至微生物营养液中，静置培养，离心得到上清液和沉淀，将沉淀稀释后得到菌液，将菌液加入混合液中。

上述更进一步地，所述静置培养温度为25-35℃，时间为3-7天，微生物营养液中培养后的微生物OD

上述更进一步地，无菌生理盐水或0.01M的PBs重悬沉淀。

上述更进一步地，所述离心时间为4-6min，转速为9000-11000r/min。

进一步地，步骤S2中，所述混合液中微生物的OD

进一步地，步骤S3中，所述裸电极为碳毡电极。

进一步地，步骤S3中，所述惰性气体为N

进一步地，步骤S3中，所述静置培养温度为25-35℃，时间为2-5天。

本发明还提供一种基于生物信号因子的微生物燃料电池阳极，由上述制备方法制备得到，所述微生物燃料电池阳极包括裸电极和微生物还原氧化石墨烯水凝胶，所述微生物还原氧化石墨烯水凝胶附着与裸电极表面，

所述微生物还原氧化石墨烯水凝胶具有3D多孔结构。

进一步地，所述微生物还原氧化石墨烯水凝胶由微生物细胞和石墨烯组成，所述石墨烯附着于裸电极表面，大量细胞嵌入或锚定在石墨烯片上，形成相互连接的三维孔状结构。

此外，本发明还提供一种基于生物信号因子的微生物燃料电池阳极的应用，将上述微生物燃料电池阳极应用于微生物燃料电池中，所述微生物燃料电池用于降解污染物。

进一步地，将微生物燃料电池阳极置于含有阳极室电解液的阳极室作为工作电极，将Ag/AgCl电极置于阳极室作为参比电极，将碳毡裸电极置于含有阴极室电解液的阴极室作为对电极，微生物燃料电池阳极与碳毡裸电极之间通过钛丝连接，阳极室和阴极室之间用质子交换膜分离，制备得到微生物燃料电池，

所述阳极室电解液中含有污染物。

上述更进一步地，所述阳极室电解液含有：1g/l葡萄糖，50mM的PBS，12.5mLL

所述阴极室电解液含有：50mM的PBS和50mM K

与现有技术相比，本发明的有益效果如下所示：

1.微生物还原氧化石墨烯水凝胶(BGH)形成的三维大孔结构为细胞附着、生物膜发育和新陈代谢的营养物质扩散提供了更多可接触区域，从而提高电池的产电性能和有机物降解效率。

2.酰基高丝氨酸内酯类信号因子可以改变微生物群落的构建，促进生物膜的形成和EPS的分泌，从而增强GO的还原程度和BGH的形成速度，还为材料后续运用时提供了更高的生物活性，相应地增强了细胞负载而改善产电性能，提升MFCs降解污染物的应用效率。

3.本发明通过使用厌氧污泥制备阳极材料，厌氧污泥内含有混合菌种，相比单一菌种，简单可控，易于操作、具有良好的实际应用价值，通过混菌还原GO形成的电极可以克服由单菌还原GO构建的电极的局限性，酰基高丝氨酸内酯类信号因子的添加可以调节EPS的产生，增加功能微生物的丰度，不仅增强对GO的还原程度和速度，还为材料后续运用提供了更高的生物活性，从而提高BGH作为电极修饰材料的电化学和降解性能。

附图说明

图1为实施例1、实施例2和对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极，和对比例2制备得到的GO的XRD谱图；

图2为实施例1制备得到的基于生物信号因子的微生物燃料电池阳极的SEM图；

图3为实施例1、实施例2及对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极的Raman光谱图；

图4为实施例1、实施例2及对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极运行后的电压曲线；

图5为实施例1、实施例2及对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极稳定运行后的CV曲线；

图6为实施例1、实施例2及对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极稳定运行后的阻抗谱图；

图7为实施例1、实施例2及对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极稳定运行后的极化曲线和功率密度图；

图8为实施例1、实施例2及对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极稳定运行后的96h内卡马西平浓度随时间的变化曲线；

图9为实施例1制备得到的微生物燃料电池阳极示意图；

图10为微生物燃料电池阳极与裸电极组装后的电极运行装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例中，所述参考文献如下所示：

[1]YONG Y C,YU Y Y,ZHANG X,et al.Highly Active Bidirectional ElectronTransfer by a Self-Assembled Electroactive Reduced-Graphene-Oxide-HybridizedBiofilm[J/OL].Angewandte Chemie International Edition,2014,53(17):4480-4483.DOI:10.1002/anie.201400463.

[2]MORADIAN J M,MI J L,DAI X,et al.Yeast-induced formation ofgraphene hydrogels anode for efficient xylose-fueled microbial fuel cells[J/OL].Chemosphere,2022,291:132963.DOI:10.1016/j.chemosphere.2021.132963.

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

以下结合具体实施例子对上述方案作进一步说明，本发明的优选实例详述如下：

实施例1

本实施例一种基于生物信号因子的微生物燃料电池阳极的制备方法，具体步骤如下：

第一步：采用改进Hummers法制备氧化石墨，将氧化石墨分散在水中，超声形成均匀的5mg/ml氧化石墨烯悬浮液。

第二步：在微生物燃料电池的阳极室中依次加入微生物营养液，微生物营养液含有：0.5g/l NH

在微生物燃料电池的阳极室中加入生物信号因子(正丁酰-L-高丝氨酸内酯(C

在微生物燃料电池的阳极室中添加2ml的5mg/ml的氧化石墨烯悬浮液，使其在50ml的微生物燃料电池的阳极室中的最终浓度为0.2mg/ml。

第三步：将白龙岗污水处理厂中的厌氧污泥接种至微生物营养液中，在25-35℃的恒温培养箱中培养3-7天，使微生物营养液中培养后的微生物OD

第四步：将处理后的面积为2cm×1cm的碳毡电极浸入微生物燃料电池的阳极室中，通入20min N

将瓶口进行密封，防止氧气进入，在25-35℃的恒温箱中静置厌氧培养2-5天，进行生物还原，即通过微生物还原氧化石墨烯水凝胶，得到微生物还原氧化石墨烯水凝胶(BGH)，所述微生物还原氧化石墨烯水凝胶附着于裸电极表面得到微生物燃料电池阳极，记为BGH-50nM。

实施例2

实施例2提供一种基于生物信号因子的微生物燃料电池阳极的制备方法，与实施例1的不同之处在于：

第二步：微生物燃料电池的阳极室中生物信号因子(正丁酰-L-高丝氨酸内酯(C

第四步：制备得到微生物燃料电池阳极，记为BGH-500nM。

对比例1

本对比例提供一种微生物燃料电池阳极，其制备方法与实施例1的不同之处在于：

第二步：微生物燃料电池的阳极室中未添加生物信号因子(正丁酰-L-高丝氨酸内酯(C

第四步：制备得到微生物燃料电池阳极，记为BGH-Control。

对比例2

本对比例采用Improved Hummers氧化法合成氧化石墨烯(GO)。

实验测试分析：

(1)微生物还原氧化石墨烯水凝胶的效果

对实施例1、实施例2及对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极进行通过XRD，Raman和SEM对微生物燃料电池阳极结果进行测试。同时也对氧化石墨烯(GO)进行XRD分析。图1为实施例1、实施例2及对比例1制备的微生物燃料电池阳极和对比例2制备的GO的XRD谱图，GO的XRD图谱显示，在约2θ＝10.19°处有一个属于(001)晶面的衍射峰，层间距离为0.8nm。而GO经过与MFC阳极微生物作用后，阳极上BGH的XRD曲线显示其2θ＝10.19°处的强衍射峰消失了，在2θ＝24.80°处出现了一个较为平缓的衍射峰，对比GO，BGH的层间距(0.36nm)减少了58.1％，表明含氧官能团以及水分子被去除，GO被还原成BGH。

图2为实施例1制备的微生物燃料电池阳极的SEM图像，显示BGH中大量细胞嵌入或锚定在水凝胶的石墨烯片上，形成了相互连接的三维孔状结构。

图3为实施例1、实施例2及对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极的Raman光谱，可以看出其位于1350cm

(2)电化学性能

本实验采用上述各个实施例及对比例制备的微生物燃料电池阳极作为阳极，阴极使用碳毡裸电极，阴阳两极之间用钛丝连接，外接固定电阻1000Ω。用质子交换膜来分离阳极和阴极室。阳极室电解液包括1g/l葡萄糖，50mM的PBS，12.5mLL

1)MFC电压输出性能

将上述实施例和对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极制备成微生物燃料电池，然后进行MFC产电测试，如图4。从图中可以看出，实施例1中添加了500nM的C

2)循环伏安法测试(CV)

利用电化学工作站CHI760E对述实施例1、实施例2和对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极制备成微生物燃料电池进行循环伏安法(CV)测试，具体测试条件为：利用上海辰华有限公司生产的电化学工作站CHI760E，以上述实施例和对比例制备得到的微生物燃料电池阳极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，碳毡为对电极，在电解液为50mM PBS的三电极体系中，在扫速为5mV/s的条件下进行测试。测试结果见图5，从图5中可以看出，相比于未添加C

3)电化学阻抗测试(EIS)

利用电化学工作站CHI760E对述实施例1、实施例2和对比例1制备得到的微生物燃料电池阳极制备成微生物燃料电池进行电化学阻抗测试(EIS)，具体测试条件为：利用上海辰华有限公司生产的电化学工作站CHI760E，以上述实施例和对比例制备得到的微生物燃料电池阳极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，碳毡为对电极，在电解液为50mM PBS的三电极体系中，以频率范围为0.01Hz到1000kHz，振幅为5mV，扫描电位为开路电位的条件下进行测试。测试结果见图6，根据EIS曲线来看，添加50nM和500nM C

4)极化曲线和功率密度

将上述实施例和对比例制备得到的微生物燃料电池阳极制备成微生物燃料电池。采用改变不同的外电阻测试极化曲线和功率密度曲线。运行稳定换水后，在MFC开路电压达到最大值时，通过改变外接电阻箱的阻值(从9000Ω到10Ω)，每个阻值下电压运行稳定后更换下一个电阻值，极化曲线根据记录下的每一个电阻值下的电压和电极电势进行计算，功率密度根据记录下的每一个电阻值下的电压和电极电势，以电极投影面积为基准进行计算。

单位电极面积电流密度(I，A/m

测试结果见图7，从功率密度曲线可以看出，使用添加了50nM C

(3)MFC对卡马西平(CBZ)的降解效果

将上述实施例和对比例制备得到的微生物燃料电池阳极制备成微生物燃料电池，然后在运行96h内对浓度为15ppm的卡马西平进行降解，其中，微生物燃料电池的组成包括：微生物燃料电池以上述实施例和对比例制备得到的微生物燃料电池阳极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，碳毡为对电极，阳极室电解液包括1g/l葡萄糖，50mM的PBS，12.5mLL

从图8中可以看出，使用添加了50和500nM C

因此，酰基高丝氨酸内酯类信号因子可以改变微生物群落的构建，促进生物膜的形成和EPS的分泌，从而增强GO的还原程度和BGH的形成速度，还为材料后续运用时提供了更高的生物活性，相应地增强了细胞负载而改善产电性能，提升MFCs降解污染物的应用效率。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。