新一代绿色高浓度含酚废水处理装置(微生物燃料电池).doc

1、1第十二届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛“西安世园会”专项竞赛作 品 申 报 书作 品 名 称 ： 新 一 代 绿 色 高 浓 度 含 酚 废 水 处 理 装 置（ 微 生 物 燃 料 电 池 ） 的 探 究 和 应 用 学 校 全 称 ： 湖 南 农 业 大 学 申报者姓名（集体名称）： 郑 越 张 进 段 真 玥 类别： 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作 A 类 科技发明制作 B 类竞赛组委会制2011 年 5 月2说 明1.申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2.申报者在填写申报作品情况时，需根据个人项目或集体项目情况填写 A1

2、或 A2 表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写 B1、B2 或 B3 表。所有申报者可根据情况填写 C 表。3.表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。4.序号、编码由竞赛组委会办公室负责填写。5.学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本） ，请以 4 号楷体打印在 A4 纸上，附于申报书后，字数在 8000 字左右（文章版面尺寸 14.522cm） 。6.参赛作品（一式四份）须由各高校按要求于 2011 年 6 月25 日前统一寄送至团省委学校部（长沙市天心区湘府西路 1 号

3、团省委学校部，联系方式：0731-88776806，410004） 。7.其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。3A2申报者情况（集体项目）姓名 郑越 性 别 男 出生年月 1990.2学校 湖南农业大学 系别、专业、年级 环境工程与科学、环境工程、大三学历 本科 学 制 4年 入学时间 2008年作品名称 新一代绿色高浓度含酚废水处理装置（微生物燃料电池）的探究和应用邮政编码 411100申报者代表情况通讯地址 湖南农业大学金岸八栋 528办公电话 18673422827姓 名 性别 年龄 学历 所在单位张进 男 21 本科 湖南农业大学段真玥 男 21 本科 湖南农业大学其他作者情况学

4、校学籍管理部门意 见以上作者是否为 2010 年 7月 1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的各类高等院校中国籍学生（含专科生、本科生和研究生） 。是 否若是，其学号为：郑越 200840408213张进 200840408109段真玥 2008404082（部门盖章）年 月 日资 格 认定学校组织协调机构意 见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果是 否 负责人签名： （学校团委代章）年 月 日4B1申报作品情况（自然科学类学术论文）作品全称新一代绿色高浓度含酚废水处理装置（微生物燃料电池）的探究和应用作品分类（E）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等

5、）B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等）E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）作品撰写的目的和基本思 路2011年西安世园会倡导绿色、环保、低碳、生态的理念，高浓度苯酚废水为目前我国污水治理的主要方向，通过纯培养法，从高浓度含酚工业废水中筛选苯酚高效降解微生物，并在研究苯酚高效降解微生物对高浓度苯酚废水的降解特性、规律及降解机理的基础上，探索以高效降酚微生物菌结合微生物燃料电池治理高浓度含酚工业废水的可行性，从而达到快速、高效治理高浓度含酚废水和实现能源绿色环保利用

6、的目的，推进城市可持续发展。5作品的科学性、先进性及独特之处本实验的创新点有两个：1.筛选出高效降酚菌对高浓度含酚废水进行生物修复并通过分子手段对其鉴定、研究其降解机理；2.利用高效苯酚降解菌结合微生物燃料电池处理高浓度含酚废水，实现绿色、环保、低碳、生态治理的目的，这是本次项目的主要创新点。通过从含酚废水中筛选出 5株高效降酚菌，最高耐受浓度达3000 mgL-1。环境条件对 TS1菌种降解苯酚试验结果表明，筛选获得的 TS1菌株的最适降解条件为 25-40、pH5.0-9.0。外加氮源能 TS1菌株降解苯酚，且有机氮源的促进比无机氮源高；而外加碳源则降低 TS1对苯酚的降解率，且多糖的影响

7、更大。TS1 菌株对重金属的敏感程度大小依次为：Co 2+、Cu 2+ (最小完全抑制浓度 0.5 mgL-1)Ni2+ (最小完全抑制浓度 1 mgL-1)Cd2+ (最小完全抑制浓度 2-5 mgL-1)Mn2+ (最小完全抑制浓度 25 mgL-1)Pd2+ (最小完全抑制浓度500 mgL-1)。并且选取该高效降酚菌作为催化剂，构建了双极室微生物燃料电池，以高浓度含酚废水为燃料进行了有机物降解和产能效果的研究。实验结果表明，以含酚浓度为 2500 mgL-1工业废水为燃料，苯酚的去除率达到 85%，COD 去除率超过 90%，并且微生物燃料电池运行周期仅约为 100小时，最大输出电压为

8、 121mV,功率密度为 6mW/M-2.实验结果最终表明，微生物燃料电池能够利用高浓度含酚工业废水为燃料，这为高浓度含酚工业废水的难降解有机物的高效低耗处理提供了新的研究思路。作品的实际应用价值和现实意义从群落乃至生态系统的水平看，高浓度含酚废水生物治理的关键在于系统研究污染环境的微生物群落组成，进而筛选出耐受力强、降解效率高的微生物，进而有意识地对其进行组合与调控，从而达到快速、经济、有效地治理高浓度含酚废水的目的。本团队指导老师研究了部分抗性微生物及其与植物组合对土壤及水体中重金属的转化和去除效果；结合国际学科前沿、国家需求和已具备的工作基础，我们认6为，含酚废水的生物治理应从过去的以单

9、一菌株为目标的研究深化到以基因工程菌和多菌株组合为重点的研究。为此，本项目通过研究高浓度含酚废水对污染环境微生物群落组成影响的基础上，筛选耐受力强、能降解高浓度酚化合物的微生物，并通过多微生物燃料电池为提高含酚工业废水的生物处理效率提供科学和技术支持，掀起污水治理绿色、文明的新风潮。作品在何时、何地、何种机构举行的会议或报刊上发表及所获奖励2010 年 湖南农业大学第九届“求真杯”科技创新大赛二等奖2010 年 湖南农业大学资源环境学院微生物应用研讨会上发表2011 年 郑越, 张进. 微生物降解苯酚的研究进展及其工程菌的应用前景,高技术通讯 (正在审稿)2011 年 郑越, 张进, 段真玥.

10、 以苯酚为燃料的微生物燃料电池产电特性研究, 微生物学通报 （正在审稿）鉴定结果1. TS1 菌种的分子生物学鉴定TS1 降酚菌的 PCR 扩增片段大小为 1400 bp 左右。将 PCR 产物测序并将测序结果(见图 1)用 BLAST 软件与 GenBank 中的序列进行比对。结果表明，TS1 菌种属于 Klebsiella sp. （克雷伯氏菌属） ，但与已知降酚菌 Klebsiella oxytoca strain 的相似性仅 87%，是一株新发现的高效降酚微生物菌株。CGACGCAGCGTATAGTGCCCTCCCGACGGTTAAGCTACCTACTTCTTTTGCAACCCACTC

11、CCGTGGTGTGACGGGCGGTGTGTACAAGGACCGGGAACGTATTCGGGATGACTTTCTGATCCACGATTACAAACGATTCCGACTTCATGGAGTCAAGTTGGGACTCCAATCCGGACTACCACATACTTTATGAGGTCCGCTTGCTCTCGCGAGGTCGTTTCTCTTTGTATATGCCATTGTCCCACGTGTGTAGCCCTACTCGAAAAGGCCATGAGGACTTGACATCCTCCCCACATTCCTCCGGTTTATCACTGGGAGTCTCATTTGAGTTCGCGACCAAACCTGTGGCAACCAAGGATA

12、AGGGTTGAACTCGTTGCGGGACTTAACCCAACATTTCACAACACAAGATGACGACAGCCATGCAACACCTGTCTCAGAGTTCCCGAAGGCAAAAAGCATCTCTGCTAAGTTCTCTGGATGTCAAGAGTAGGTAAGGTTCTTCGCGTTGCATCGAATTAAACGGCATGCTCCACCGCTTGTGCGGGCCCCCGTCAATTCAGTTGAGTTTTAACCTTGCGGCTGGACTCTGCAGGCGGTCGACTTAACGCGTTATCTCCGGAGCCACTCCTCATTGGAACAACCTCCAAGTCAACATCATTT

13、ACAGCGAGGACTACCAGGGGATCTAGTCCTGTTTGGTCCCCACACTGACGCACCTGAGCGTCAGTCTTTGTACAAGAGGCCGCCTTATACCACCGGTATTCCTCCATATATCTACGCACTTCATCGATGCTGCTGCAATTCTACCCGCCTCTACGAGACTCCGCCCTGCCACTTTCGAATGGAGAGTCCAGGTTGAGCGCTGAGATTTCACATACTAGATGAGAGACCGGCCGCGTGCGGTATATGCCGGTTAATTCGATGAACGCTGGAAACCTCATATTCTCTCGACTGCTGGAAAGG

14、AATTA7GAAGTGCTTCCTTCTGGTGCGGACAGTCAAAAGATGAGGTAGTAGCCTGACCGCCTTC图 1 TS1高浓度降酚菌测序结果2.TS1菌种苯酚降解途径鉴定本实验合成了Lph、C12O、C23O引物，并分别用其进行PCR 扩增。结果显示，Lph 和C23O有明显的扩增产物；而C12O 没有得到扩增产物（见图2） 。将测序结果用BLAST 软件与GenBank 中的序列进行比对。结果表明，TS1菌株具有苯酚羟化酶和有邻苯二酚2，3 加氧酶，没有邻苯二酚-1，2-加氧酶。苯酚羟化酶是催化苯酚代谢途径第一个反应步骤的关键酶，负责将苯酚转化成邻苯二酚，由此可以确定，

15、TS1降解苯酚是通过第二条途径邻苯二酚-2，3-加氧酶途径（C23O途径）进行的，在邻苯二酚-2，3-加氧酶的作用下将邻苯二酚开环裂解产生2-羟基粘糠酸半醛，并进一步被彻底降解乙酸和丙酮酸而进入糖代谢途径。图 2 TS1中苯降解酶 PCR扩增结果M：分子标记；1：Lph；2：C12O；3：C23O；4：阴性对照3.环境因素对 TS1菌株的影响TS1菌种的最高耐受浓度高达 3000 mgL-1，但该菌株在苯酚浓度低于 2500 mgL-1时，降解率高，降解速度快；当苯酚浓度为2500 mgL-1时，该菌株 60 h的降解率达 95.9%。环境条件对 TS1菌种降解苯酚试验结果表明，筛选获得的 T

16、S1菌株的最适降解条件为25-40、pH5.0-9.0。外加氮源能 TS1菌株降解苯酚，且有机氮源的促进比无机氮源高；而外加碳源则降低 TS1对苯酚的降解率，且多糖的影响更大。TS1 菌株对重金属的敏感程度大小依次为：8Co2+、Cu2 + (最小完全抑制浓度 0.5 mgL-1)Ni2+ (最小完全抑制浓度 1 mgL-1)Cd2+ (最小完全抑制浓度 2-5 mgL-1)Mn2+ (最小完全抑制浓度 25 mgL-1)Pd2+ (最小完全抑制浓度500 mgL -1)。4.微生物燃料电池研究结果表明，当含酚浓度为 2500 mgL-1时，该原电池能正常工作；当微生物燃料电池运行 100 h时，苯酚去除率高达85.8%，COD 去除率高达 90.4%，最大输出电压为 121 mV，功率密度为 6 mW/M-2。实验结果还表明，以 TS1作催化剂，利用微生物燃料电池能够较好利用苯酚作燃料，在实现苯酚高效降解的同时，还能稳定地向外输出电流。