[发明专利]一种构建多层生物膜电极的方法及多层生物膜电极

说明书

本申请公开了一种构建多层生物膜电极的方法及多层生物膜电极。该方法包括以下步骤：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，向阴极或阳极腔室中添加培养基；向阴极和/或阳极腔室中添加第一微生物菌种，然后施加电势，使第一微生物菌种生长在工作电极和对电极中的至少一个的外表面上以形成第一生物膜；然后向体系中接种第二微生物菌种，使第二微生物菌种利用第一微生物菌种的代谢产物，在第一生物膜外形成第二生物膜；向阴极或阳极腔室中通入气体，设定恒定电势，培养并驯化生物膜，进行微生物电合成；根据微生物菌种的最适生长pH和温度，调节体系的pH和温度，并对pH进行监测。

技术领域

本发明涉及微生物电化学技术领域，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

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。

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。

发明内容

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申请的保护范围。

本申请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。本申请的方法采用泡沫炭、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。

在一个方面，本申请提供了一种构建多层生物膜电极的方法，包括以下步骤：

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；

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；

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；

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。

在本申请的实施例中，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。

在本申请的实施例中，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)。

在本申请的实施例中，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。