摘要

研究了以橋灣藻（Desmodesmus sp.）A8作為陰極微生物的光微生物燃料電池（photo-MFCs）在不同光強度（0,1500,2000,2500,3000,3500 lx）下的性能。結果表明，光照使光微生物燃料電池的輸出提高了三倍。當光強度從0增加到1500 lx時，陰極電阻從3152.0Ω降至136.7Ω，而陽極電阻從13.9Ω降至11.3Ω。此外，陰極電位從-0.44 V增加到-0.33 V（相對于Ag/AgCl參比電極），并在光強度從1500 lx增加到3500 lx時達到穩定平臺。伴隨電位變化，陰極生物膜內的溶解氧（DO）在3500 lx光強度下增加至13.2 mg L?1，而在1500 lx時降至7.5 mg L?1。這項工作證明光強度通過改變溶解氧深刻影響了以橋灣藻A8作為陰極微生物的光微生物燃料電池的性能。

1.引言

如今，能源危機鼓勵人們探索可再生能源。微生物燃料電池（MFC）是一種可以從污染物中獲取綠色能源的技術；它為高強度廢水處理提供了可能性。許多微生物，如地桿菌（Geobacter sulfurreducens）、腐敗希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens）IR-1以及一些光合微生物已被研究用于提高微生物燃料電池的性能并擴展其功能。微藻通過光合自養生長，產生大約一半的大氣氧氣，同時消耗溫室氣體二氧化碳。由于其高光合作用效率和脂質含量，微藻具有生產新型生物燃料能源的潛力。

含有光合微生物的微生物燃料電池被稱為光微生物燃料電池（photo-MFCs）。它作為一種有前景的技術正在興起，能夠通過光合微生物的代謝反應將太陽能轉化為電能。除了產生生物電，光微生物燃料電池還可以固定二氧化碳和去除含氮污染物。近年來，微藻因其低運行成本和自我再生能力而在陰極反應中受到越來越多的關注。研究表明，采用的微藻可以為陰極反應提供氧氣作為電子受體，并降低氧還原反應的過電位。盡管有這些優點，相關研究仍處于起步階段，發電量仍然相對較低。然而，對光微生物燃料電池性能限制因素的研究迫在眉睫。因此，研究影響微藻生物陰極性能的因素具有重要意義。

微生物燃料電池的陰極反應在很大程度上取決于陰極室內的氧氣濃度。微藻可以通過光合作用提供大量氧氣。光供應是影響微藻光合作用效率和代謝途徑的最重要因素之一。光照不足和過度光照都會阻止藻類的對數生長。因此，光能的最佳利用是光微生物燃料電池發展面臨的重大科學和技術挑戰。此外，盡管生物膜內的溶解氧已被證實在生物電化學系統的性能中起重要作用，但關于微藻生物膜內溶解氧隨光強度變化的信息很少。

橋灣藻（Desmodesmus sp.）適用于生物柴油生產和廢水處理的耦合系統。在本研究中，研究了光強度對接種橋灣藻（菌株A8）的光微生物燃料電池性能的影響。此外，利用微電極技術揭示了不同光強度下光強度對生物膜內溶解氧濃度的影響，這為深入理解光強度對以微藻作為陰極微生物的光微生物燃料電池性能的影響提供了見解。

2.材料與方法

2.1.微藻

本研究使用先前分離的橋灣藻A8作為陰極微生物。該藻保存在裝有BG11培養基的經滅菌照明的錐形瓶中。

2.2.光微生物燃料電池的構建與運行

雙室光微生物燃料電池由有機玻璃構建。陽極室和陰極室用陽離子交換膜作為隔膜分隔。每個室的工作體積為125 ml。陽極和陰極均由普通石墨氈制成，投影表面積為16 cm2（4x4 cm）。外電路使用鈦線連接，負載為1000Ω。電極通過反應室的橡膠塞固定。引入Ag/AgCl電極（3 M KCl）作為參比電極。

使用來自另一個微生物燃料電池的陽極流出物作為陽極生物膜的接種物。陽極室充滿0.125 L人工廢水，其成分（g L?1）為：0.82 CH?COONa,6.28 KH?PO?,2.0 NaHCO?,10.0 K?HPO?,0.5 Na?SO?,0.5 NaCl和0.2 MgSO?·7H?O；陰極室充滿BG11培養基并接種橋灣藻A8。一個在陰極室未接種的平行裝置作為對照進行操作。在整個實驗過程中，陽極室用鋁箔包裹以避免光合細菌的生長。

在實驗開始時，我們測量了A8的濃度，即將相同濃度的橋灣藻A8（OD680=0.4）接種到每個光微生物燃料電池的陰極室。所有光微生物燃料電池均在批次模式下運行，外部電阻為1000Ω，溫度28°C，置于帶有冷白色熒光光源的照明培養箱中。研究的光強度為1500,2000,2500,3000和3500 lx，通過改變燈與光微生物燃料電池之間的距離以及熒光燈的數量來控制。為了在本工作中保持相同的藻量，每種光強度下光微生物燃料電池的性能測試時間為10小時。