抗生素氟苯尼考对光合微生物燃料电池有机物去除和产电性能的影响

抗生素氟苯尼考对光合微生物燃料电池有机物去除和产电性能的影响摘要\t"/item/%E5%BE%AE%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"微生物燃料\t"/item/%E5%BE%AE%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"电池（MicrobialFuelCell，MFC）是利用微生物把有机物中的化学能转化成\t"/item/%E5%BE%AE%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"电能的\t"/item/%E5%BE%AE%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"装置。基本的工作原理：在\t"/item/%E5%BE%AE%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"阳极室厌氧环境，有机物在\t"/item/%E5%BE%AE%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"微生物作用下分解和释放出电子和\t"/item/%E5%BE%AE%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"质子，电子依靠合适的\t"/item/%E5%BE%AE%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"传递介体在生物组分和阳极之间进行传递，通过外电路传到\t"/item/%E5%BE%AE%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"阴极形成\t"/item/%E5%BE%AE%E7%94%9F%E7%89%A9%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"电流；质子通过质子交换膜传到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原，与质子结合成水。随着工农业快速发展，高浓度含氮有机废水排放量年年递增，导致水体富营养化，一直以来都是水污染治理的主要对象。MFC不仅可以强化去除废水中有机污染物，而且能够同步产电，是一种全新的废水处理技术。光合细菌在MFC领域的应用实现了污水处理、捕捉、光电转换等多种功能，并展示出了良好的产电性能。氟苯尼考具有广谱抗菌性，它通过干扰细菌蛋白合成而快速抑菌，对常见的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌以及支原体均有很强的抑制作用。因此，在畜牧生产和水产养殖中被广泛用来预防动物疾病。氟苯尼考主要从肾脏排泄，尿中浓度较高，由于它多以原型排出，因而还具有生物活性。氟苯尼考在不同动物体内的生物利用度不同，各种不同的给药途径也会造成氟苯尼考的生物利用度不同。本研究构建了一种遵循藻昼夜光合/呼吸生长节律的藻菌生物阴极MFC，可在自维持运行下同步去除有机物和产电。重点考察：氟苯尼考对MFC产电和有机物去除的影响。结果表明：与未添加氟苯尼考相比，在所有测试的氟苯尼考浓度水平下（0.5-5mg/L），MFC电压输出都明显提高，推测是由于氟苯尼考降解中间产物可介导增强的，但由于氟苯尼考的抑菌性导致强化效果与氟苯尼考浓度的增加不成正比。氟苯尼考的添加可减缓MFC对乙酸盐的降解，推测原因为：氟苯尼考可抑制非产电菌活性和代谢，从而减缓了非产电菌对乙酸的利用，而为产电菌提供了更多的电子供体来源。关键词：光合微生物燃料电池；藻菌生物阴极；生物电化学；氟苯尼考；脱氮AbstractMicrobialFuelCell(MFC)isthedevicethatconvertsthechemicalenergyoftheorganicmaterialintoelectricalenergybytheMicrobial.Thebasicworkingprinciple:intheanaerobicenvironmentoftheanodechamber,organicmatterdecomposesandreleaseselectronsandprotonsundertheactionofmicroorganisms.Electronsaretransferredbetweenthebiologicalcomponentsandtheanodebyappropriatetransfermedia,andaretransmittedtothecathodethroughtheexternalcircuittoformcurrent.Theprotonistransferredtothecathodethroughtheprotonexchangemembrane,andtheoxidizer(generallyoxygen)getselectronsatthecathodeandisreduced,andcombineswiththeprotontoformwater.Withtherapiddevelopmentofindustryandagriculture,thedischargeoforganicwastewaterwithhighconcentrationofnitrogenincreasesyearbyyear,leadingtoeutrophicationofwaterbody.MFCcannotonlystrengthentheremovaloforganicpollutantsinwastewater,butalsocangenerateelectricitysimultaneously,isanewwastewatertreatmenttechnology.PhotosyntheticbacteriainthefieldofMFCapplicationstoachievesewagetreatment,capture,photoelectricconversionandotherfunctions,andshowedagoodelectricalperformance.Fluphenicolhasabroadspectrumofantimicrobialactivity,whichcanrapidlyinhibitbacteriabyinterferingwithbacterialproteinsynthesis,andhasastronginhibitoryeffectoncommongram-positivebacteria,gram-negativebacteriaandmycoplasma.Therefore,itiswidelyusedtopreventanimaldiseasesinanimalhusbandryandaquaculture.Fluphenicolismainlyexcretedfromthekidney,theconcentrationintheurineishigher,becauseitismostlyexcretedinprototype,soitalsohasbiologicalactivity.Thebioavailabilityoffluphenicolisdifferentindifferentanimals,andthebioavailabilityoffluphenicolisalsodifferentindifferentdrugdeliveryroutes.Inthisstudy,abiologicalcathodeMFCwasconstructedforalgalbacteriafollowingthecircadianphotosynthetic/respiratorygrowthrhythmofalgae,whichcansimultaneouslyremoveorganicmatterandgenerateelectricityunderself-sustainingoperation.TheeffectsoffluphenicolonMFCpowergenerationandorganicsremovalwereinvestigated.Resultsshowthatcomparedwithnotaddingfluorinebenzenenicol,andinallthetestsoffluorobenzenenicol,concentrationlevels(0.55mg/L),MFCvoltageoutputisimprovedobviously,presumablybecauseoffluorobenzenenicol,enhanceddegradationofintermediatecanbemediated,butcausedbythebacteriostasisoffluorinebenzenenicol,strengtheneffectisoutofstepwiththeincreasedconcentrationoffluorinebenzenenitest.TheadditionoffluphenicolcanslowdownthedegradationofacetatebyMFC,whichisspeculatedtobebecause:fluphenicolcaninhibittheactivityandmetabolismofnon-electrogenicbacteria,thusslowingdowntheuseofaceticacidbynon-electrogenicbacteria,andprovidingmoreelectronicdonorsourcesforelectrogenicbacteria.Keywords:Photosyntheticmicrobialfuelcell;Algalbiocathode;Bioelectrochemistry;Fluphenicol;denitrification目录1 绪论 错误!未找到引用源。，导致氨氮去除速率降低。4.3未来研究建议近年来，环境污染日趋严重，能源危机日趋加剧，MFC利用生物电极促进污染物和转化，实现污染物资源化，是一项符合可持续发展战略的环境治理新技术。电化学光合细菌或是通过不产氧的光合作用直接产电，或是通过代谢产生电子中介体提高MFC的产电性能。开展光合细菌在MFC领域的研究不仅可以促进所涉及的相关学科基础研究发展，还可以提高污染物资源化程度，具有重要的经济和社会意义。由于光合细菌在MFC领域的应用研究起步较晚，其产电机理尤其是与电极间电子传递机制了解还不够深入，电化学活性光合细菌光电转化和污染物效率都还较低。光合细菌在MFC领域下一步研究的重点主要包括以下几个方面：(1)电化学活性光合细菌的分离，优化微生物群落产电的富集方法，筛选更多高性能产电光合细菌。(2)分析光合细菌电子传递途径及光合细菌与电极间电子传递机理，借助于分子生物学技术改造产电光合细菌的代谢途径，提高其电子传递效率，拓展光合细菌在MFC领域应用。(3)接种光合细菌的MFC反应器优化，在综合现有MFC反应器结构优势的基础上，结合高效光生物反应器特点做进一步优化，提高光合细菌的光能利用率。MFC产电影响因素较多，且各因素之间相互关联，随着生物电化学及分子生物学等交叉学科理论和技术的发展，为光合细菌产电性能的逐步提高提供了有力支撑，光合细菌在MFC领域应用也将愈加广泛。（4）氟苯尼考对藻菌生物阴极中有机盐的去除具有抑制作用。120h后，有机盐被几乎完全去除，这主要是因为藻光合作用可以释放出高浓度的DO来加快硝化细菌代谢速率，从而加快有机铵盐的硝化。（5）电能回收与强化研究输出功率低，运行成本高一直以来都是PMFC技术放大实际应用时所面临的共性问题。虽然过去的几年中研究者们都致力于MFC技术的改进和应用，但未来仍需我们花费更多的精力去真正克服这个瓶颈。其次可通过施加微电场，利用PMFC白天电容储电，晚上释电，在做到电能回收的同时应用生物电解原理进一步加强污染物的生物电化学降解。参考文献[1] 赵丝蒙.聚中性红修饰电极强化微生物燃料电池脱氮产电研究[D].2018.[2] 李睿.单室空气阴极微生物燃料电池的产电优化与应用[D].[硕士学位论文].北京化工大学,2015.[3] 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