一种构建多层生物膜电极的方法及多层生物膜电极

本发明涉及微生物电化学，具体涉及一种构建多层生物膜电极的方法及多层生物膜电极。

背景技术：

1、环境污染及温室气体排放已成为环境领域的主要问题，近年来引起社会各界的广泛关注。微生物电化学作为一种新的能源生产及废弃物、污染物处理技术，可以通过微生物将废弃物资源化利用。例如，在阴极中可以通过微生物电合成将二氧化碳转变为乙酸等有机物，或将废水中的硝酸盐还原；在阳极中可以降解废水中的有机物，从而降低出水cod等。

2、生物膜是微生物电解池中的重要组成部分，但是在自然条件下生物膜的形成速率慢，并且菌种复杂，不能对代谢产物进行定向调控。因此，需要开发出一种构建多层生物膜电极的方法。

技术实现思路

1、以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本技术的保护范围。

2、本技术提供了一种构建多层生物膜电极的方法及多层生物膜电极。本技术的方法采用泡沫炭、纳米多孔碳、碳纤维中空纤维膜等多孔耐腐蚀导电材料作为电极生物膜基底。通过控制菌株创造反应器内缺氧及厌氧条件，通过不同菌种对需氧条件及其电活性，构建多层生物膜电极，促进种间电子传递。同时可避免气体利用不充分等问题造成的成本增加和资源浪费。作为微生物电合成过程中的关键过程，本发明形成的多层生物膜电极可明显提高产物产率及电转化效率，实现了微生物电合成的可控性。

3、在一个方面，本技术提供了一种构建多层生物膜电极的方法，包括以下步骤：

4、1)提供包括由阴极腔室和阳极腔室构成的h型电解池、工作电极、对电极、参比电极和培养基的反应体系，向所述阴极腔室或阳极腔室中添加培养基，并曝氮气30min-120min；

5、2)向所述阴极腔室和/或阳极腔室中添加电活性的第一微生物菌种，然后向所述阴极腔室和/或阳极腔室施加电势，使所述第一微生物菌种生长在所述工作电极和所述对电极中的至少一个的外表面上以形成电活性的第一生物膜；然后向所述反应体系中接种第二微生物菌种，使所述第二微生物菌种利用所述第一微生物菌种的代谢产物，在具有电活性的所述第一生物膜外形成第二生物膜；

6、3)向所述阴极腔室或阳极腔室中通入气体，设定恒定电势，培养并驯化步骤2)中获得的生物膜，进行微生物电合成；

7、4)根据所使用的微生物菌种的最适生长ph和温度，调节所述反应体系的ph和温度，并对所述反应体系内的ph进行实时监测。

8、在本技术的实施例中，在步骤1)中，所述工作电极和所述对电极由选自泡沫碳、纳米多孔碳、碳纤维中空纤维膜或石墨片的碳基材料构成，并且所述参比电极选自ag/agcl电极、甘汞电极或氢电极。

9、在本技术的实施例中，在步骤2)中，向所述体系施加的电势，如果阴极为工作电极，则施加的电势为-0.5v至-1.5v(相对于ag/agcl)，如果阳极为工作电极，则施加的电势为0.5v至1.5v(相对于ag/agcl)。

10、在本技术的实施例中，在步骤2)中，还包括在形成所述第二生物膜之后，向所述反应体系中接种利用所述第二微生物菌株的代谢产物作为其自身的反应底物的第三微生物菌种以形成第三生物膜。

11、在本技术的实施例中，在步骤2)中，根据所述工作电极为阳极电极或阴极电极，来构建阳极多层生物膜或阴极多层生物膜。

12、在本技术的实施例中，在步骤2)中，如果构建阴极多层生物膜，则所述第一微生物菌种选自产酸菌、产醇菌、假单胞菌，如sporomusa、clostridium、geobacter或shewallena；并且所述第二微生物菌株选自产丁酸菌或亚硝酸盐还原菌。

13、在本技术的实施例中，在步骤2)中，如果构成阳极多层生物膜，则所述第一微生物菌种为好氧真菌，其选自木霉属、青霉属、漆斑霉属或毛壳霉属，如trichoderma reesei、trichoderma viride或trichoderma harzianum；并且所述第二微生物菌株为乳酸菌，其选自乳杆菌属、片球菌属或链球菌属，如lactobacillus acidophilus、lactobacillusrhamnosus、lactobacillus casei、lactobacillus paracasei、lactobacillusplantarum、lactobacillus gasseri、lactobacillus reuteri、lactobacillusbulgaricus或lactobacillus johnsonii。

14、在本技术的实施例中，如果构建阴极三层生物膜，则所述第三微生物菌株选自链延长菌，如clostridium属、clostridium bacterium或desulfovibrio；如果构建阳极三层生物膜，则所述第三层微生物菌株为厌氧产酸菌，其选自梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属或双歧杆菌属，如clostridium ljungdahlii、butyrivibrio fibrisolvens、bifidobacterium或clostridium tyrobutyricum。

15、在本技术的实施例中，在步骤1)中，在所述阴极腔室中的培养基由2-6g/lkh2po4、4-8g/l k2hpo4、0.2-2g/l nh4cl、0-0.5g/l kcl、0-1.0g/l nacl、0-0.5g/l mgcl2·6h2o、0-0.1g/l cacl2、1-10ml/l wolin’s维生素溶液和1-10ml/l wolin’s矿物质溶液组成；在所述阳极腔室中的所述培养基由2-6g/lkh2po4、4-8g/l k2hpo4、0.2-2g/l nh4cl、1-10ml/lwolin’s维生素溶液和1-10ml/l wolin’s矿物质溶液组成。

16、任选地在步骤1)中，在所述培养基中添加有缓冲对，例如磷酸氢二钾/磷酸二氢钾。

17、在本技术的实施例中，在步骤1)中，所述工作电极被设置在所述阴极腔室或所述阳极腔室中。

18、在本技术的实施例中，在步骤3)中，所述气体在所述阴极腔室中为co2、co，并且在所述阳极腔室中为o2。

19、在本技术的实施例中，在步骤1)中，根据所述工作电极所在的腔室，所述培养基被分为阴极培养基或阳极培养基。

20、在本技术的实施例中，在所述阴极培养基中添加适当的还原性物质用于消耗所述阴极培养基中剩余的微量氧，如半胱氨酸盐酸盐(0.1-0.4g/l)。

21、在本技术的实施例中，在步骤2)中，在添加第一微生物菌种之后或在添加第二微生物菌种之后，紧接着添加葡萄糖/酵母粉作为碳源以用于后续加速所述第一微生物菌种和所述第二类微生物菌种的生长；

22、任选地在步骤2)中，在添加第一微生物菌种之后或者在添加第二微生物菌种之后，紧接着向所述反应体系中添加10 -100μg/l的信号分子，如n-丁酰基-l-高丝氨酸内酯或n-己酰基-l-高丝氨酸内酯，以用于后续促进第一生物膜和第二生物膜的生长。

23、在本技术的实施例中，在步骤2)中，在添加第三微生物菌种之后，紧接着向所述反应体系中添加10 -100μg/l的信号分子，如n-丁酰基-l-高丝氨酸内酯或n-己酰基-l-高丝氨酸内酯，以用于后续促进第三生物膜的生长。

24、在本技术的实施例中，在步骤2)中，所述第一微生物菌株和所述第二微生物菌株的接种量分别为1-20％(v/v)，优选地为5-10％(v/v)。

25、在本技术的实施例中，在步骤2)中，所述第三微生物菌株的接种量为1-20％(v/v)，优选地为5-10％(v/v)。

26、在本技术的实施例中，在步骤3)中，所述气体的曝气速率为10-100ml/min。

27、在本技术的实施例中，在步骤4)中，所使用的菌种的ph为5-8；

28、任选地在步骤4)中，在反应过程中，采用碱例如naoh将反应体系的ph根据菌株最适ph调至5-8以避免阳极酸化，采用酸例如h3po4将反应体系的ph根据菌株最适ph调节至5-8以避免阴极碱化；

29、任选地在步骤4)中，所述反应体系的温度被控制在25-60℃之间。

30、在另一方面，本技术提供了一种由上述方法制造的多层生物膜电极，所述多层生物膜电极包括：

31、电活性的第一生物膜，其被设置在所述工作电极和所述对电极中的至少一个的外表面；

32、第二生物膜，其设置在所述第一生物膜上。

33、在本技术的实施例中，所述的生物膜电极还包括设置在所述第二生物膜上的第三生物膜。

34、多层生物膜的优点是将2-3种不同生物反应器的反应耦合在一个反应器中，可加速种间电子传递和代谢物传递，从而提高反应效率，提高经济效益；也可突破异质微生物需氧量、生长条件不同而难以共存的难题。

35、本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来实现和获得。