抗生素与微生物燃料电池之间的双向影响研究.docx

抗生素与微生物燃料电池之间的双向影响研究 高国彬 张宏伟 单子岳 宗天宇摘 要：在石油能源日益短缺的今天，微生物燃料电池（MFC）越来越受到人们的青睐，而抗生素则是现代医学必不可少的一类杀菌药物本实验将探究MFC与抗生素间的双向影响关系，观测抗生素对产电微生物群落结构的影响，同时判别MFC对于抗生素的降解是否有效，为MFC的前景发展提供基础，积极响应国家可持续发展的战略关键词：微生物燃料电池;抗生素;双向影响引言能源危机是全世界面临的重大问题之一，而全球变暖也使得极端气候频繁出现，人们开始关注其他可替代型能源微生物燃料电池（MFC）是一种新型的产电装置，它利用电化学活性微生物作为催化剂，能将有机物中的化学能转化为电能，理论上其能量转化效率相对于传统的能源间接转换方式要更高除此之外，MFC在常温环境条件下也可正常运行，且由于其产生气体主要成分为二氧化碳，故不需要进行废气处理MFC在废水处理、生物医学等方面有广泛的应用前景，如：MFC可以利用海底淤泥中的有机物和微生物，在海底为无人值守产电装置产电;也可以利用少部分血糖为超微型心脏起搏器供电[1]抗生素是目前应用最为广泛的抑菌、杀菌药物，由于其价格低廉、易于提取，在医学上被大量应用，也正因为抗生素的滥用导致了出现一些新问题，如耐药菌的产生及DNA污染等。

人们因抗生素的滥用付出了代价，因此，如何减少抗生素的滥用成为了一个刻不容缓的问题由于MFC可用于处理废水，在其推广过程中可能会遇到水体中抗生素积累的问题，而微生物作为MFC的重要组成部分可能会受到影响，进而影响MFC的产电效率探究清楚抗生素与微生物燃料电池性能的双向影响，可以有效地为MFC的后续发展提供便利条件，同时对抗生素的降解和减少环境污染也有很重要的意义1 实验方案制备阳极培养液和阴极培养液各1L，组装微生物燃料电池反应器3组设置三组平行实验，MFC采用双室模型双室MFC由两个电极室组成， 一个为厌氧室（阳极室），另一个为好氧室（阴极室）在厌氧室， 物质被微生物氧化， 电子被外加载体或者介体转移到阳极在好氧室，电子通过外电路、质子通过质子交换膜分别到达阴极化合形成水[2]实验项目设置三组平行实验第一组MFC正常运行，作为空白对照组;第二组MFC在实验周期稳定期时加入一定含量的抗生素，取抗生素加入一段时间后后电极上的微生物，观测其群落结构与空白组微生物群落结构区别;第三组MFC在试验周期稳定时加入一定量的抗生素，并断开电路1.1 培养液配置本实验接种微生物为污水池活性污泥，取回后静置，倾倒上端上清液，与培养液按体积比1：3混合后接种到微生物燃料电池阳极室。

阴极培养液为0.4mol/L NaCl和0.2mol/L K3[Fe（CN）6]以3：2体积比配制而成的混合液1.2 实验步骤1.2.1 微生物群落分析MFC反应器共设置三组每组具体实验步骤见下第一组：通路情况下持续进行微生物燃料电池的运行，分析微生物群落结构第二组：稳定期时在阳极加入一定量的抗生素，一定时间后取阳极上的生物膜，进行微生物群落的分析，同时进行第一组阳极上微生物群落结构的分析第三组：稳定期时在阳极加入一定量的抗生素，同时将电路断路，分析微生物群落结构为了确保微生物样品具有代表性，本实验取样时间定为MFC系统稳定产电后30天，将样品置于显微镜下观察进行半定量分析1.2.2 MFC产电性能比较三组都进行极化曲线与循环伏安法分析，比较三者异同1）极化曲线测定：MFC所产生的电压U通过数据采集器进行采集.由欧姆定律计算电流I， 电流密度J=I/A， 功率密度P=IU/A，其中A为阳极面积MFC的阴、阳极电势以饱和甘汞电极为参比电极进行测量极化曲线采用稳态放电法测量， 实验过程中在电极两端连接50～10 000Ω的一系列负载电阻， 每个阻值下稳定约1 h后测量负载电阻两端的电压计算电流、电流密度和功率密度后， 将电压和功率密度对电流密度分别作图， 得到极化曲线和功率密度曲线。

2）循环伏安法：电极开路一小时后，阳极作为工作电极，阴极为对电极，连接参比电极并放置于阳极当中，进行循环伏安扫描，设置扫描范围为-0.5V至0.5V（Vs.SHE），扫速设置为1-5mV/s循环伏安曲线的处理方法：阴极反应的电流称为阴极电流，对应还原峰;阳极反应的电流称为阳极电流，对应氧化峰一般國内规定阴极电流用正值阳极用负值，国外很多文献反之通常，氧化峰位于较正的电位而还原峰位于较负的电位，这是极化作用的结果1.2.3 抗生素降解性能分析在稳定期，三组都定时测定阳极水质中抗生素的含量本实验采用的抗生素测试样品为四环素，由于不同浓度的四环素吸光度不同，可利用分光光度法进行测定2 实验结果2.1 伏安特性曲线分析各组MFC运行产电情况用循环伏安法测量结果见下1）第一组实验数据见下图本组实验无抗生素影响，电路闭合，为空白对照组从图中可分析出MFC随培养时间的增加，其产生电动势及电流基本可认为稳定增加，直到一个阈值阳极反应为阴极反应为（2）第三组实验数据见下图本组实验在本组实验在阳极液中加入20mg四环素，其余培养液成分不变，电路断开图1中黑色曲线为空白组伏安特性曲线，红色曲线为第三组实验伏安特性曲线。

两组曲线对比可发现，第三组实验在加入四环素并保持断路时，在同等电动势的情况下，产生的电流要高于对照组原因可能是四环素的加入会刺激微生物的增长由以上结果可看出，加入四环素的实验组产电量高于不加入的空白组，说明抗生素在一定条件下有利于MFC的运行但MFC必须保持闭路状态，否则随着时间的推移，微生物的生长将会受到抗生素的抑制，从而降低MFC的产电能力2.2 分光光度法曲线分析王晰等人用离子液体萃取分光光度法测定水中四环素类抗生素，在380nm处有最大吸收峰本次实验采用此方法测量三组实验中剩余的抗生素量，共测量了10天的变化量由第二组和第三组曲线对比，可分析出在电路闭合状态下，随着时间的推移，第二组吸光度下降的速率要高于第三组即在通路状态下，MFC中微生物降解四环素的效率要高于断路状态下的降解效率3 结语MFC中的微生物生长繁殖受抗生素影响，但它们也会将一定量的抗生素分解本次实验可在一定程度上表明适量的抗生素对MFC的运行是有利的，且对抗生素的无害化也有一定的帮助由于实验室条件与实际环境条件有一定的差别，而人们对于MFC的实际应用仍有许多需要解决的问题，因此若要在实际生活中大规模应用MFC，需要更深入和更全面的研究。

由于MFC具有能量转化效率高、对环境污染小等优点，其发展前景依旧十分乐观参考文献：[1] 徐功娣，李永峰，张永娟，等.微生物燃料电池原理与应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2012：244-245.[2]贾斌，李小明，刘志华，杨麒，廖德祥，曾光明，邹高龙，胡劲梅，刘精今.双室和单室微生物燃料电池的研究及比较[J].环境污染与防治，2008（05）：74-77+82. -全文完-。