（环境科学与工程专业论文）含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究.pdf

e f f e c t so f n i t r o g e n o u sh e t e r o c y c l i cc o m p o u n d so nt h ep e r f o r m a n c e c a p a b i l i t yo fm i c r o b i a lf u e lc e l l s b y h uw e n j u a n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rn i uc h e n g g a n g n o v ，2 0 1 0 帆0566 09iiiii_帆y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 妇责重序 j 日期：加l 。年1 1 月乙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 纠妾硝 懒 e l 期：如1 9 年r l 月e l e l 期：2 1 0 年肛月舌日 含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究 摘要 难降解有机物是指被微生物降解速度慢且分解不彻底的一类有机物，如杂环 类化合物、酚类化合物等。其中很多物质生物降解性能很差，在自然环境中不易 被生物降解，可以长期稳定地存在于土壤和水体中，对人体和动物具有毒性作用 如致癌、致畸、致突变等，已经构成了对人类身体健康和生态系统的严重威胁。 因此，难降解有机污染物的治理一直是环保领域的一个重要研究课题。目前，在 难降解有机物的处理方面开发了许多新技术包括：氧化技术、电解技术、生物强 化技术、细胞固定化技术、生物强化技术、酶技术等。这些处理方法基本上都存 在着操作条件严格、耗费时间长、成本过高、伴随有毒污染物生成等弊端。 目前，解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可 持续发展的两大根本性问题。微生物燃料电池( m i c r o b i a lf u e lc e l l ，m f c ) 是一种微 生物技术与电池技术相结合的产物，是以微生物为催化剂，将有机物中的化学能 转化成电能的装置。m f c 结合了生物法处理废水核心技术一有氧代谢方式和无氧 代谢方式的优点，它在有效处理废水的同时能够产生电能，该特性为废水处理技 术持续发展提供了新的思路。近年来，微生物燃料电池作为一种新型的能量转化 方式，受到研究者的广泛关注。m f c s 利用的燃料包括易降解有机物( 如有机酸 和糖类) ，难降解有机物( 如木质素和苯酚) ，模拟废水和实际废水( 如啤酒废 水和淀粉加工废水) 都取得了较好的效果。微生物燃料电池的研究与应用开发涉 及到从微生物、电化学到材料学和环境工程等科学领域。 本文介绍了微生物燃料电池的基本特征及其最新的研究进展，难降解有机物 处理新技术，设计并自制双室微生物燃料电池，以长沙市某污水处理的厌氧污泥 为接种液进行了产电细菌的驯化，以有毒难降解的典型含氮杂环化合物为燃料， 比较研究不同底物及浓度的产电性能和有机质的去除效率，微生物燃料电池技术 与传统厌氧生化处理技术在生物降解含氮杂环化合物方面的优势。根据g c m s 的分析结果推测不同底物在m f c 中的生物降解途径。同时也考察仅以厌氧污泥 为底物单独存在时，微生物燃料电池中的产电情况及分析其污泥成分变化。试验 结果表明，以厌氧污泥作为接种物，对研究含氮杂环化合物在微生物燃料电池中 的产电性能影响不大。在给定菌种来源条件下，分别以吡啶、喹啉和吲哚作为唯 一碳源时，双室微生物燃料电池的输出电压曲线呈有规律的三个阶段：上升阶段、 平台阶段、下降阶段，但产电能力存在着差异，其中吲哚和喹啉的输出功率明显 高于吡啶，这反映了厌氧活性污泥对不同底物及浓度的产电选择性。d m f c 的最 大输出电压分别为5 2 4 m v ( 吲哚，1 2 0 m g l ) ，4 9 4 m v ( 喹啉，1 2 0 m g l ) ，4 1 3 m v 硕士学位论文 ( 吡啶，6 0 m g l ) ，相应的最大输出功率密度分别为2 2 8 8 m w m 2 ，2 0 3 4 m w m 2 ， 1 4 2 1 m w m 2 ( 按外电阻1 0 0 0 f 2 和阳极截面积计算) ，随着底物浓度的增大，双室燃 料电池的最大输出电压升高，产电周期和平台持续时间也增长。但吡啶没有像喹 啉和吲哚一样表现出此规律。同时m f c 对各种含氮杂环化合物的降解效率和 c o d 的去除率分别达到9 0 和8 8 以上。含氮杂环化合物产电性能和降解情况的 不同与其本身的分子结构、电荷特性、物理化学特性等有很大的关系。m f c 闭路 条件下对底物的降解速率高于开路厌氧条件下降解速率约1 0 ，这表明，在m f c 运行条件下有可能促进相应微生物对含氮杂环化合物的利用和分解，也可能存在 新的厌氧降解途径，从而增大了底物的降解速率。同时利用g c m s 检测到了各 基质的代谢中间产物，并推测了其生物降解途径。m f c 可以在实现高效降解含氮 杂环化合物的同时可稳定地向外输出电能，这为含氮杂环芳烃类难降解有机物的 高效低耗处理提供了新的途径。m f c 技术具有产电与污水处理的双重功效，代表 了当今最前沿的废弃物资源化利用方向，有望成为未来有机废弃物能源化处置的 支柱性技术。 关键词：含氮杂环化合物；降解；微生物燃料电池；产电 i i i 含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究 a b s t r a c t r e f r a c t o r yo r g a n i cc o m p o u n di s ac l a s so fo r g a n i c st h a ti sd i f f i c u l tt ob e b i o d e g r a d e ds u c ha sp h e n o l sc o m p o u n da n dh e t e r o c y c l i c t h e i rp o o rb i o d e g r a d a b i l i t y m a k e si td i f f i c u l tt oe f f e c t i v e l yt r e a ti nn a t u r a le n v i r o n m e n t m o s to fr e c a l c i t r a n t c o n t a m i n a n t sc a ne x i s ts t a b l yi nw a t e ra n ds o i l ，t h e yc o n s t i t u t ead a n g e rf o rt h eh u m a n h e a l t ha n dt h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t yd u et ot h e i rt o x i c i t y ，c a r c i n o g e n i c i t ya n d t e r a t o g e n i cn a t u r e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ee f f e c t i v et r e a t m e n tt e c h n o l o g yo f h a z a r d o u ss u b s t a n c ei s i n c r e a s i n g l y f o c u s e da n db e c o m eac h a l l e n g ei nt h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd o m a i n v a r i o u st y p e so ft e c h n o l o g i e sh a v eb e e nu s e dt o t r e a tr e f r a c t o r yo r g a n i cc o m p o u n da n dc a nb ed i v i d e di n t of i v ec a t e g o r i e s ：o x i d a t i o n t e c h n i q u e ，e l e c t r o l y s i st e c h n o l o g y ，b i o a u g m e n t a t i o nt e c h n i q u e ，e n z y m et e c h n o l o g y ， i m m o b i l i z e dc e l lt e c h n i q u e h o w e v e r ，t h e s em e t h o d sh a v es o m es h o r t c o m i n g ss u c ha s s t r i c to p e r a t i o n a lw a y ，p o o rt r e a t m e n te f f i c i e n c y ，l o n gt r e a t i n gt i m e ，h i g hc o s ta n ds o o n r e c e n t l yt h ef u n d a m e n t a lp r o b l e m sa r er e s o l v i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d e x p l o r i n gn e we n e r g yn e e d st oa c h i e v et h eg o a lo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t m i c r o b i a l f u e lc e l l ( m f c ) i sat e c h n o l o g yo fm i c r o b i o l o g ya n db a t t e r y ，w h i c hi sad e v i c e c a p a b l eo fd i r e c t l yt r a n s f o r m i n g m i c r o b i a lm e t a l b i ce n e r g yi n t o e l e c t r i c i t y v i a e l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n s i n v o l v i n g b i o c h e m i c a l p a t h w a y s m f c t e c h n i q u e c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so ft h ea n a e r o b i ca n da e r o b i cm e t a b o l i s mc a nd e a lw i t h w a s t e w a t e re f f e c t i v e l ya n da tt h es a m et i m ep r o d u c ee l e c t r i c i t ye n e r g y ，w h i c hp r o v i d e s o m ei n f o r m a t i o nf o rt r e a t i n gw a s t e w a t e r m f c sh a v eg a i n e dal o to fa t t e n t i o na n d i n t e r e s ti nr e c e n ty e a r sa san e ws y s t e mo fe n e r g yc o n v e r s i o n i th a sb e e nr e p o r t e d t h a tm i c r o b e si nt h em f cc a nc o n v e r tm a n yt y p e so fo r g a n i c s ，i n c l u d i n gr e a d i l y d e g r a d a b l ec o m p o u n d s ( o r g a n i ca c i da n dc a r b o h y d r a t e ) ，b i o r e f r a c t o r yo r g a n i c s ( p h e n o la n dl i g n o c e l l u l o s i cb i o m a s s ) ，s y n t h e t i ca n dp r a c t i c a lw a s t e w a t e r ( b r e w e r y w a s t e w a t e ra n ds t a r c hp r o c e s s i n gw a s t e w a t e r ) t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm f c t e c h n o l o g yi n v o l v e dt h ef i e l d o fm i c r o o r g a n i s m s ，e l e c t r o c h e m i s t r y ，m a t e r i a l sa n d e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h el a t e s ti n v e s t i g a t i o no f m f c t w o c h a m b e rm f c sw e r ed e s i g n e da n di n o c u l a t e dw i t ha n a e r o b i cs l u d g e a c c l i m a t e df o rs e v e r a lm o n t h s ，w h i c ho b t a i n e df r o mt h ea n a e r o b i cd i g e s t e ds l u d g eo f i v 硕士学位论文 t h es e c o n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t o fc h a n g s h ac i t yi nc h i n aa n dk e p ti na r e f r i g e r a t o ra t4 c b e f o r eu s e t h ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt ot e s tt h ep o t e n t i a l f o rb i o d e g r a d a t i o no fr e f r a c t o r yo r g a n i cm a t t e r sa n de l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nu s i n g r e p r e s e n t a t i v en - h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s ( p y r i d i n e ，q u i n o l i n ea n di n d o l e ) ，a n dt o c o m p a r e t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nm f ct e c h n i q u ea n dc o n v e n t i o n a la n a e r o b i c t r e a t m e n tm e t h o di nt h eb i o l o g i c a ld e g r a d a t i o no ft o x i ca n dr e c a l c i t r a n tc o n t a m i n a n t s m e a n w h i l e ，w ed i s c u s s e dt h em e t a b o l i cf a t ea n dp a t h w a yo fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o ni n t h em f c w ea l s oi n v e s t i g a t e dt h ep o w e rg e n e r a t i o na n da n a l y z e dt h ev a r i a t i o no f s l u d g ec o m p o n e n tb yu s i n ga n a e r o b i cs l u d g ea st h es o l ef u e l a tt h eb e g i n n i n g t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a ta n a e r o b i cs l u d g ea si n o c u l u mh a dl i t t l ei m p a c to n t h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o no fn h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d si nt h ed m f c s w h e nu s i n g p y r i d i n e ，q u i n o l i n ea n di n d o l ea s t h es o l ec a r b o ns o u r c e ，p o w e ro u t p u tc u r v e s d i s p l a y e dar e g u l a rt h r e ep e r i o d s ：r i s i n gs t a g e ，s t a b i l i z a t i o ns t a g e ，f a l l i n gs t a g e h o w e v e r ，e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o ni sd i f f e r e n ti nt h et e s t e ds u b s t r a t ea n dp o w e rd e n s i t i e s o fi n d o l ea n dq u i n o l i n ea r e h i g h e rt h a nt h a t o fp y r i d i n e ，w h i c hs u g g e s t e dt h a t e l e c t r i c i t y g e n e r a t i n gm i c r o b e se x i s t i n gi nt h ea n o d eh a ds e l e c t i v i t yt ot h es u b s t r a t e s am a x i m u mv o l t a g eo f5 2 4 m v ( i n d o l e ，1 2 0 m g l ) ，4 9 4 m v ( q u i n o l i n e ，12 0 m g l ) ， 413 m v ( p y r i d i n e ，6 0 m g l ) b a s e do na ne x t e r n a lr e s i s t a n c eo f1o o o q ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gm a x i m u mp o w e rd e n s i t i e so f2 2 8 8 m w m z ，2 0 3 4 m w m 2 ，14 2 1m w m z w e r eo b t a i n e df r o m p y r i d i n e ，q u i n o l i n e ，a n di n d o l e ，r e s p e c t i v e l y t h em a x i m u m o u t p u tv o l t a g eg r a d u a l l yi n c r e a s e da n de l e c t r i c a lc y c l ea n ds t a b l eo p e r a t i o nt i m e e x t e d e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ec o n c e n t r a t i o no fs u b s t r a t e b u tp y r i d i n ew a s i n c o n s i s t e n tw i t ht h ea b o v er e g u l a r i t y m e a n w h i l e ，t h em a x i m u md e g r a d a t i o n e f f i c i e n c yo ft h e s es u b s t r a t e sa n dc o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) r e m o v a lw e r eu p t o9 0 a n d8 8 ，r e s p e c t i v e l y t h em o l e c u l a rs t r u c t u r ea n dc h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so f f u e l sh a dag r e a ti m p a c to nt h ee f f e c to fm f cp r o d u c t i v i t ya n dm e t a b o l i cd e g r a d a t i o n t h em f cw i t hc l o s e dc i r c u i tc o n t r o le n h a n c e d n h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d b i o d e g r a d a t i o nb ya b o u t 10 c o m p a r e dt oo p e nc i r c u i tc o n t r o l ，w h i c hi n d i c a t e d m f cc o u l de n h a n c eu t i l i z a t i o na n db i o d e g r a d a t i o no ft h es u b s t r a t e s ，o re x i s t e dn e w m e t a b o l i cp a t h w a yo fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o n t h em e t a b o l i ci n t e r m e d i a t ep r o d u c t s w e r ed e t e c t e db yg c m s a n a l y s e s o ft h ea n o d es o l u t i o n t h er e s u l t s c l e a r l y d e m o n s t r a t e dt h e f e a s i b i l i t y o fu s i n gt h em f ct o g e n e r a t ee l e c t r i c i t yu s i n g n h e t e r o c y c l i cc o m p o u n da sf u e la n ds i m u l t a n e o u s l yd e g r a d i n gt h es u b s t r a t e s t h e s e r e s u l t si n d i c a t e dm f co f f e ran e wm e t h o do fe n h a n c i n gb i o d e g r a d a t i o no fr e c a l c i t r a n t c o n t a m i n a n t si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i ti sh o p e dt h a tm f c t e c h n o l o g yc o m b i n i n g v 含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究 t h ea d v a n t a g e so fp o w e ro u t p u ta n db i o l o g i c a lt r e a t m e n tw i l lb eu s e dl e a d i n gt oa s u s t a i n a b l ea n de c o n o m i c a lb i o e n e r g yf r o ma l m o s ta n yr e n e a b l em a t e r i a l si n c l u d i n g w a s t e s k e yw o r d s ：n i t r o g e n o u sh e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s ；d e g r a d a t i o n ；m i c r o b i a lf u e lc e l l ； e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n v l 硕士学位论文 目。录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书：i 摘要i i a b s t r a c t 1 1 0 r 插图索引x 附表索引x i 第1 章绪论1 1 1 前言：l 1 2 微生物燃料电池2 1 2 1 微生物燃料电池简介一2 1 2 2 微生物燃料电池中的产电菌及应用一6 1 2 3 微生物燃料电池的影响因素9 1 2 4 微生物燃料电池的国内外研究进展13 1 2 5 微生物燃料电池的应用前景与展望1 7 1 3 难降解物质的性质及处理技术2 0 1 3 1 难降解有机物简介2 0 1 3 2 难降解有机物处理技术2 1 1 4 课题的研究内容，目的和意义2 3 1 4 1 课题研究的内容2 3 1 4 2 课题研究目的和意义2 4 第2 章实验及分析方法：2 5 2 1 实验装置2 5 2 2 实验配备_ 2 6 2 2 1 实验材料2 6 2 2 2 实验仪器2 7 2 3 电池性能的测定方法2 7 2 3 1 输出电压和电流2 7 2 3 2 功率密度一2 8 2 3 3 产电性能表征2 8 2 3 4 库仑效率2 8 2 4 分析方法2 9 2 4 1c o d 的测定2 9 v 含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究 2 4 2 含氮杂环化合物的测定3 0 2 5 污泥驯化：31 2 5 1 接种污泥3 l 2 5 2 污泥的驯化31 2 5 3 污泥驯化结果及分析3 2 第3 章厌氧污泥为燃料的微生物燃料电池的产电性能研究3 4 3 1 微生物燃料电池的产电特性一3 4 3 2 污泥中成分变化3 4 3 3 结果分析及讨论3 5 第4 章吡啶为燃料的微生物燃料电池的产电性能研究3 7 4 1 引言3 7 4 2 不同浓度的吡啶对m f c 产电影响3 7 4 3m f c 产电性能表征3 8 4 4 吡啶和c o d 的降解效果4 0 4 4 1m f c 闭合回路和开路状态下对吡啶的降解比较4 0 4 4 2 产电条件下的降解性能4 1 4 5m f c 条件下的吡啶降解途径4 2 第5 章喹啉为燃料的微生物燃料电池的产电性能研究4 4 5 1 引言4 4 5 2 不同浓度的喹啉对m f c 产电影响4 4 5 3m f c 产电性能表征4 5 5 4 喹啉和c o d 的降解效果一4 6 5 4 1m f c 闭合回路和开路状态下对喹啉的降解比较一4 6 5 4 2 产电条件下的降解性能4 7 5 5m f c 条件下的喹啉降解途径4 8 第6 章吲哚为燃料的微生物燃料电池的产电性能研究5 0 6 1 引言一5 0 6 2 不同浓度的吲哚对m f c 产电影响5 0 6 3m f c 产电性能表征51 6 4 吲哚和c o d 的降解效果5 2 6 4 1m f c 闭合回路和开路状态下对吲哚的降解比较5 2 6 4 2 产电条件下的降解性能5 3 6 5m f c 条件下的吲哚降解途径一5 4 结论5 5 参考文献5 8 i i 硕士学位论文 致谢：6 7 附录a 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录6 8 i x 含氮杂环化合物对微生物燃料电池性能影响的研究 插图索引 图1 1 微生物燃料电池的分类4 图2 1 微生物燃料电池装置示意图2 5 图2 2 污泥驯化过程中喹啉和葡萄糖的添加量3 2 图2 3 驯化期间喹啉的去除率一3 3 图3 1 剩余污泥在m f c 中的产电变化规律3 4 图3 2m f c 运行过程中t c o d 和s c o d 的变化3 5 图4 1 不同浓度的吡啶产电性能( 箭头表示不同的吡啶浓度更新) 一3 8 图4 2 以吡啶为燃料时输出功率和功率密度的关系，一3 9 图4 3 吡啶浓度和电压的关系4 2 图4 4c o d 去除率和电压的关系( 吡啶) 4 2 图4 5 吡啶的生物降解途径4 3 图5 1 不同浓度的喹啉产电性能( 箭头表示不同的喹啉浓度更新) 4 5 图5 2 以喹啉为燃料时输出功率和功率密度的关系一4 5 图5 3 喹啉浓度和电压的关系4 7 图5 4c o d 去除率和电压的关系4 7 图5 5 喹啉的生物降解途径4 8 图6 1 不同浓度的吲哚产电性能( 箭头表示不同的吲哚浓度更新) 51 图6 2 以喹啉为燃料时输出功率和功率密度的关系一5 1 图6 3 吲哚浓度和电压随时间变化情况5 3 图6 4c o d 去除率和电压的关系( 吲哚) ：5 3 图6 5 吲哚的生物降解途径5 4 x 硕士学位论文 附表索引 表1 1 混合菌群的各种m f c 的产电特性1 0 表1 2 纯菌种的各种m f c 的产电特性1 0 表2 1 无机盐溶液组分及含量2 6 表2 2 微量元素组分及含量2 6 表2 3 磷酸缓冲液组分及含量2 7 表2 4 实验仪器2 7 表2 5 典型含氮杂环化合物的性质及标准曲线3 0 表4 1 吡啶的一些物理化学性质3 7 表4 2 几种典型含氮杂环化合物产电特性及降解情况的比较3 9 表4 3 不同运行条件下吡啶的浓度和去除率随时间的变化4 1 表5 1 喹啉的一些物理化学性质4 4 表5 2 不同运行条件下喹啉的浓度和去除率随时间的变化4 6 表6 1 吲哚的一些物理化学性质5 0 表6 2 不同运行条件下吲哚的浓度和去除率随时间的变化5 2 x i 硕十学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 联合国环境署的报告表明，整个地球的环境正在全面恶化，环境问题是一个 全球性问题。环境问题跨越了国家疆界和地区界限，影响到几乎所有国家和全人 类的利益，其后果之严重、代价之巨大，不是一般问题所能比拟的。当前国际社 会关注的全球性环境问题是：全球气候变暖、臭氧层破坏、酸雨、生物多样性锐 减、危险废弃物越境转移、放射性物质污染、资源和能源消耗过快、森林迅速减 少、海洋污染严重、土地沙漠化严重、水资源缺乏和水污染严重等。 能源是人类社会赖以生存和发展的基础，是经济平稳运行的必不可少的物质 基础。目前，地球上的人口数量己超过6 0 亿，并预计将在2 0 5 0 年达到9 4 亿【l j 。 在过去的一个世纪里，化石燃料支撑着工业和经济的发展。随着科技的进步、社 会的发展和人口的不断增长，全球性的能源危机日趋突出，现在化石燃料和天然 气依然是主要的能量来源，但这种状况在未来将难以维持。没有一种“魔弹”能够 满足现在和未来的能源需求。当今社会主要依赖于传统的化石能源，全球总能耗 的7 4 来自煤炭，石油，天然气等化石能源。石油预计在未来的10 0 年或更久后 枯竭，在未来的10 - - - 2 0 年内，石油的需求量将超过产出量。化石能源的应用推动 了社会的发展，但资源却在日益耗尽。同时，化石能源的无节制使用，造成了严 重的环境和气候变化问题。化石燃料的使用是c 0 2 等温室气体增加的主要来源。 科学观测表明。地球大气中c 0 2 的浓度已从工业革命前的2 8 0 p p m v 上升到可目前 的3 9 7 p p m v ，全球平均气温也在近百年内升高0 7 4 ，尤其是近3 0 年来升温明显。 全球变暖对地球自然生态系统和人类赖以生存环境的影响整体式负面的，需要国 际社会认真对待。目前，解决日趋严重的环境污染问题和探索新的能源是人类社 会完成可持续发展的两大根本性问题。 面对能源供应持续偏紧、能源价格高、能源开发利用与环境保护的矛盾突出 和能源利用效率较低等严峻形势，全世界必将为能源付出更大的代价。因此，通 过节约能源或实现新型能源的替代来实现环境效益、经济效益和社会效益的统一 是目前面临的最主要的研究课题。新能源的开发是全球各国都在加紧抢占的制高 点，而可再生能源又是重中之重。正在兴起的微生物燃料电池( m i c r o b i a lf u e lc e l l ， 简称m f c ) 技术为可再生能源生产和废弃物处理提供了一条新途径。m f c 技术能 在利用微生物降解废水中有机物的同时获取直接的电能输出，是一种新概念的废 水生物处理技术，在生物质能和环境保护领域展现出巨大的前景。 含氮杂环化含物对微生物燃料电池性能影响的研究 1 2 微生物燃料电池 1 2 1 微生物燃料电池简介 微生物燃料电池是一种生物化学催化系统，利用微生物( m i c r o b e ) 作为生物催 化剂，直接将燃料的化学能转化为电能的电化学装置1 2 】。从微生物学的角度，m f c 技术属于厌氧生物处理范畴，但又不同于传统的厌氧发酵。1 9 11 年英国植物学家 p o t t e r 用酵母和大肠杆菌进行试验，宣布利用微生物可以产生电流，生物燃料电 池研究由此开始。但此后的5 5 年中由于存在众多理论问题和技术难点，m f c 技 术研究进展缓慢。早期的m f c 是用发酵型的酵母和细菌进行制电，但其机制并 不清楚，初步认为是在微生物发酵过程产生的还原产物与电极直接作用而产生电 流。2 0 世纪8 0 年代后，由于电子传递中间体的广泛应用，微生物燃料电池的输 出功率有了较大提高，但这种装置仍然存在诸多缺点，因此也制约了其发展。近 几年来，随着直接将电子传递给固体电子受体的纯培养菌种的发现，科学家发明 了无需使用电子传递中间体的微生物电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传 递给电极而产生持续高效稳定的电流。特别是美国科学家l o g a n 的同时废水处理 和微生物发电的研究，给m f c 的研究注入新的活力，引起了世界各国科学家的 高度关注1 3 1 。 1 2 1 1m f c 的基本原理及特点 以典型的双室型( h 型) 一化能异养m f c 为例。整个m f c 是由阴极室、阳 极室和将二者分开的质子交换膜( p e m ) - - 部分构成。阳极室中的产电菌在厌氧环 境下催化氧化电解液中的可以生物降解的还原性有机物( 葡萄糖、醋酸、多糖和其 他可降解