海底沉積物微生物燃料電池模型的建立及一株海洋細菌新種的分類鑒定.pdf

1、海底沉積物微生物燃料電池(Benthic microbial fuel cell,BMFC)是以海底沉積物中的有機物質(zhì)為燃料,以石墨電極或鉑電極和金屬導線等為媒介,利用附著在陽極表面的微生物將生物能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。BMFC的陽極埋在厭氧的海底沉積物中,陰極暴露在含有溶解氧的海水中并通過外電路與陽極相連。BMFC具有免維護、連續(xù)供應(yīng)、底物豐富、內(nèi)阻低、環(huán)境友好等優(yōu)點,非常有希望作為一種能源裝置用于驅(qū)動在偏遠海域工作的低功率監(jiān)測儀器。然而

2、,現(xiàn)有的BMFC的產(chǎn)電效率和穩(wěn)定性不高,因此至今尚未實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。研究表明,BMFC的產(chǎn)電效率與陽極表面產(chǎn)電細菌及其周圍細菌群落的組成有直接關(guān)系。為了提高BMFC的運行效率,本論文在實驗室構(gòu)建了BMFC模型,研究了其陽極表面細菌的分布特征,并初步探索了海洋細菌對BMFC表面細菌群落和產(chǎn)電效能的影響；同時對從其陽極表面分離的一株海洋細菌新種進行了分類鑒定。
　　 本論文首先在實驗室建立了BMFC模型,從陽極表面分離并測序了52株

3、異養(yǎng)細菌,分別屬于變形菌門(Proteobacteria,10株)、厚壁菌門(Firmicutes,40株)和擬桿菌門(Bacteroidetes,2株)三大門類。厚壁菌門的細菌占總菌數(shù)的77％,其中芽孢桿菌屬(Bacillus)的細菌占到了總菌數(shù)的61.5％。在32株芽孢桿菌中,蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)有8株。芽孢桿菌是該微生物燃料電池陽極表面異養(yǎng)細菌群落的優(yōu)勢菌群,蠟樣芽孢桿菌是優(yōu)勢菌種。
　　 從BM

4、FC陽極表面分離得到一株潛在的海洋細菌新種LYX05,其16S rDNA測序結(jié)果與NCBI中的已知序列比對發(fā)現(xiàn),其最大相似度是95.8％(Algoriphagusmaincola),并對其進行了生理生化等方面的鑒定。生理生化特征顯示該菌的細胞提取物在482nm的波長處有一個吸收峰值,LYX05不能利用苦杏仁苷、水楊苷和D-松三糖產(chǎn)酸,不能利用碳源D-果糖、D-乳糖、D-麥芽糖和D-甘露糖。脂肪酸含量中占顯著地位的是iso-C15:0(4

5、0.82％)。DNA的G+C含量為42.5 mol％。根據(jù)表型特征、生理生化特征及系統(tǒng)發(fā)育特征鑒定得出,菌株LYX05T是Algoriphagus屬的一個新種,因其分離白海洋沉積物底泥,因此命名為海洋底泥食冷菌(Algoriphagusfaecimaris),菌株LYX05T(=JCM16561T=DSM23095T=LMG25474T)是該種的標準菌株。
　　 通過聚合酶鏈式反應(yīng)-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)微生物指紋

6、圖譜技術(shù)結(jié)合16S rDNA序列分析發(fā)現(xiàn),沉積物和陽極表面的細菌群落存在很大差異,陽極表面細菌群落更具多樣性,且均檢測到與產(chǎn)電有關(guān)的地桿菌。分別將蠟樣芽孢桿菌LYX03(HQ202561)、海洋新菌海洋底泥食冷菌LYX05的菌液以及LYX03的DNA,添加到運行穩(wěn)定的BMFC陽極表面,研究它們對BMFC產(chǎn)電效能以及其陽極表面細菌群落組成的影響。添加海洋底泥食冷菌的實驗組輸出電壓大大降低,降至原輸出電壓的20％左右。根據(jù)DGGE條帶分析比

7、較,推測玫瑰桿菌(Roseobacter sp.)可能與輸出電壓下降有關(guān)。向陽極表面添加蠟樣芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌DNA,對產(chǎn)電效能和細菌群落的影響不明顯。同時進一步研究了外源性碳源的輸入(葡萄糖和LB培養(yǎng)基)對BMFC產(chǎn)電效能以及陽極表面細菌群落組成的影響。LB培養(yǎng)基的加入導致輸出電壓顯著下降,降至原輸出電壓的40％左右,推測LB培養(yǎng)基的加入對好氧細菌的生長有促進作用,從而產(chǎn)生對產(chǎn)電細菌的競爭性抑制。外源性碳源葡萄糖的加入對陽極表面細