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.