技术领域
[0001] 本
发明涉及植物-
微生物燃料电池领域，具体涉及一种用于构建高效植物-微生物
燃料电池的方法。
背景技术
[0002] 全球
能源危机和环境问题愈演愈烈，寻求和开发绿色高效可再生新能源已引起全世界的广泛关注。微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是一种既可处理环境污染又可以产生
电能的新型的清洁能源技术，它以微生物作为催化剂，代谢环境物质(有机物和部分无机物)，释放
电子，经外
电路实现
化学能转
化成电能。植物-微生物燃料电池(Plant microbial fuel cell,P-MFC)是将植物引入微生物燃料电池的一种新型燃料电池，它以植物光合作用产生的根系分泌物作为
土壤产电微生物的电子的供体，将
太阳能持续不断地转化为电能，是一种能耗少、无污染、持续性好、具有自我修复能
力、可再生的绿色能源。
[0003] 目前P-MFC产电性能不理想的一个重要原因在于人们对影响P-MFC产电性能的因素及其作用机制缺乏了解。在P-MFC中，植物根系结构和生理性状(如根系泌
氧性能、根系分泌物等)、
电极所处的环境条件(如pH值、溶氧浓度、微
生物群落等)都有可能是影响P-MFC产电性能的重要因素。这些因素如何影响P-MFC的产电性能尚待深入研究。为完善P-MFC技术，进一步提高其产电性能，本发明拟通过对影响P-MFC产电性能参数指标的测定和相关性分析，筛选适宜构建P-MFC的植物类型和环境条件，通过选择调控手段，实现高性能P-MFC的构建。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服上述
现有技术的不足之处而提供一种构建高效植物-微生物燃料电池物-微生物燃料电池的方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明公开了一种构建高效植物-微生物燃料电池的方法，其具体步骤为：
[0006] (1)基质制作：取河畔湿地的泥土经
风干后，研碎过筛得到栽培植物用的基质；
[0007] (2)植物材料与繁殖培养：选取合适的植物，将其置于盛有沙土的容器中培养；
[0008] (3)构建不含离子交换膜的单室空气
阴极：以不透光、不导电的容器为反应器，选
石墨毡、
碳布、含铂催化剂
复合材料中的一种或几种作为阴、阳电极，每个电极插入
合金金属丝作为
导线，反应器底部
覆盖基质，
阳极置于基质上，再覆盖基质，阴极置于基质表面，将步骤(2)培养的植物取出，穿过阴极栽种于基质中，反应器内注满
水；
[0009] (4)记录
电压值，测定阴极电位、阴极区pH值和溶解氧浓度，测定根系泌氧率，计算根系孔隙度，计算阳极电位值；
[0010] (5)观察根系结构：对根系结构进行观察；
[0011] (6)数据统计和处理分析：绘制电压变化动力趋势图、
输出电压和环境
温度变化趋势图、阴极电位变化趋势图、阴极区pH值变化趋势图、阴极区溶氧浓度变化趋势图、阳极电位变化趋势图、根系结构图，获得溶解氧浓度、根系泌氧率、根系孔隙度、阳极电位值数据；
[0012] (7)确定适宜构建的植物类型和环境条件：植物根系泌氧率低、
环境温度适宜生长、阴极区pH值维持在低水平、阴极区溶氧浓度高，通过选择和调控等手段，实现新型高性能植物-微生物燃料电池的构建。
[0013] 作为本发明所述用于构建高效植物-微生物燃料电池的方法的优选实施方式，优选地，所述步骤(1)中的泥土，采自河畔湿地50cm深度以下，且研碎过20～100目筛。
[0014] 优选地，所述步骤(2)中的植物，选取健康带芽茎段或
幼苗，沙土含有有机质含量少于2％。将健康带芽茎段或幼苗的植物置于盛有沙土的容器中生根培养，2周后取出，洗净根系转入盛有步骤(1)基质的容器中培养。
[0015] 优选地，所述步骤(3)中构建的反应器，为黑色塑料桶，所述阴、阳电极，为石墨毡；所述合金金属导线，为
钛丝、
银丝、
铜丝、
铝丝或
铁丝，更优选地，为钛丝。以黑色塑料圆桶作为反应器，采用黑色塑料桶主要目的是可以遮光，防止基质中绿藻在容器壁生长，干扰阳极电位及微生物的活动；以石墨毡作为阴、阳电极是由于其
导电性优于其他材料；每个电极插入钛丝作为导线，钛丝长期在水中不会
腐蚀生锈，同时导电性能优于常规金属铜、铝等；构建不含离子交换膜的单室
空气阴极，反应器底部覆盖基质，阳极置于基质上，再覆盖基质，阴极置于基质表面，阴极钻孔置于基质表面。将步骤(2)培养的植物取出，根系用
自来水冲洗干净后穿过阴极栽种于基质中，反应器内注满水。
[0016] 优选地，步骤(4)中记录电压值，测定阴极电位、阴极区pH值和溶解氧浓度，测定根系泌氧率，计算根系孔隙度，计算得阳极电位值，使用万用表每隔10min记录一次电压数据；分别将连接有电压表的银/氯化银参比电极和pH值/溶解氧仪置于阴极表面，测定其阴极电位、阴极区pH值和溶解氧浓度；采用
柠檬酸钛比色法和比重瓶法分别测定根系泌氧率与阳极电位值。每天在8:30、13:30、18:00时间点记录一次数据，并同时用温湿度记录仪实时记录外界环境温度，监测时段为植物整个生长期。
[0017] 优选地，步骤(5)中所述观察根系结构，取步骤(2)中的植物根系切成小段，经FAA固定液固定、
乙醇梯度脱水、透明、浸蜡包埋、切片机切片、脱蜡、复水、
染色、封片、镜检步骤，进行根系结构观察。
[0018] 优选地，步骤(6)中所述电压变化动力趋势图、输出电压和环境温度变化趋势图、阴极电位变化趋势图、阴极区pH值变化趋势图、阴极区溶氧浓度变化趋势图、阳极电位变化趋势图均采用Excel
软件进行数据统计和处理，分析和明确pH值和溶解氧浓度与阴极电位及输出电压的相关性；结合根系结构图、根系孔隙度和根系泌氧率，分析三者与阳极电位的相关性，明确根系结构生理与输出电压的相关性。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0020] 本发明先根据构建的物-微生物燃料电池的输出电压高且持续时间长、植物根系泌氧率低来筛选植物，从而选出产电性能较好的植物资源；再通过调节环境温度、阴极区pH值和溶氧浓度等条件考察筛选出的植物P-MFC的产电效果，进一步考察了待筛选植物根系结构和生理指标，对应结合阳极电位变化情况，综合分析根系性状与阳极电位的关联性，这样筛选出来的植物能在更大程度上保证阳极保持相对较低的电位，利于增加输出电压，通过本发明构建的方法可筛选出产电性能高的植物种类，同时通过选择和调控环境条件来提高P-MFC产电性能。
附图说明
[0021] 图1为本发明处理组和对照组电压变化动力曲线。
[0022] 图2为本发明处理组和对照组输出电压和温度动力学曲线。
[0023] 图3为本发明处理组和对照组阴极电位变化动力学曲线。
[0024] 图4为本发明处理组和对照组阴极区pH值变化动力学曲线。
[0025] 图5为本发明处理组和对照组阴极区溶氧浓度变化动力学曲线。
[0026] 图6为本发明处理组和对照组阳极电位变化动力学曲线。
[0027] 图7为本发明处理组根系结构图。
具体实施方式
[0028] 为了更加简洁明了的展示本发明的技术方案、目的和优点，下面结合附图和具体
实施例对本发明做进一步的详细描述。
[0029] 实施例1
[0030] 本发明一种用于构建高效植物微生物燃料电池的方法的一种实施例，本实施例所述方法包含以下步骤：
[0031] (1)制备基质：取河畔湿地50cm深度以下的泥土经风干后，研碎过100目筛得到基质。
[0032] (2)植物材料与繁殖培养：选用水生黍(Panicum paludosum)、莞草(Cyperus malaccensis var.brevifolius)、多枝扁莎(Pycreus polystachyus)、双穗雀稗(Paspalum paspaloides)4种植物作为实验材料，选取15-20cm左右的健康带芽茎段或幼苗，将其置于盛有沙土，有机质含量为0.9％的塑料桶中生根培养，2周后取出，洗净根系转入盛有步骤(1)基质的塑料盆中培养。
[0033] (3)构建不含离子交换膜的单室空气阴极P-MFC：以Φ21cm高20cm黑色塑料圆桶作为反应器，1cm厚石墨毡作为阴、阳电极，每个电极插入1根Φ1mm钛丝作导线，反应器底部覆1Kg阳极位于反应器的底部，覆5cm厚基质,阴极钻孔置于基质表面，将步骤(2)培养的植物取出，根系用水冲净后穿过阴极栽种于基质中，反应器内注满水；每个反应器栽种3株健康且生长状况一致的待筛选植物植株，每种植物设3个重复，作为处理组，以无植物MFC作空白对照组，将所有反应器置室外自然条件下预培养30天左右。
[0034] (4)记录电压值：待P-MFC输出电压稳定后，外接1KΩ
电阻接通电路，将正负极导线一端连接在每个P-MFC的1KΩ电阻两侧，另一端对应连接万用表的2个通道上，设置万用表每隔10min记录一次电压数据，同时，用温湿度记录仪实时记录外界环境温度，监检测时段为植物整个生长期，绘制曲线图，如图1、图2；
[0035] 测定阴极电位、阴极区pH值和溶解氧浓度：分别将连接有电压表的银/氯化银参比电极和pH值/溶解氧仪置于处理组和对照组的阴极表面，测定其阴极电位、阴极区pH值和溶解氧浓度，每天在8:30、13:30、18:00各记录一次数据，监测时段为植物整个生长期，绘制曲线图，如图3、4、5；
[0036] 测定根系泌氧率：采用柠檬酸钛比色法测定根系泌氧率：将步骤(2)植物生长健康一致的幼苗取出，根系用水冲净，置于0.1％琼脂+10％Hoagland
营养液中培养1-2周后，将植物根系取出，用去离子水洗净后插入装有一定量无氧10％Hoagland营养液的试管中，然后注入一定量无氧柠檬酸钛溶液，用石
蜡油密封后放置在光照
培养箱中培养6小时，测定其在527nm处的吸光度，每个植物品种和空白对照均设3个重复，同时，准备一系列从浓度1-25mmolL-1的无氧柠檬酸钛溶液，用分光光度计测定溶液在527nm的吸收值，以柠檬酸钛溶液浓度作横坐标，吸收值作纵坐标绘制标准曲线，所有操作均在持续通N2的条件下进行，待样品测定完成后将其根系剪下烘干并称重，利用公式计算根系泌氧率ROLrate＝4c(y-z)/m(单位：μmol d-1g-1)，其中C表示加入每个试管加入柠檬酸钛后的溶液总体积(L)；y表示对-1
照组反应6小时后柠檬酸钛的浓度(umolL ),z表示放入植物的试管反应6小时后柠檬酸钛的浓度(umolL-1)，m表示植物的根部干重(g)，如表1；
[0037] 计算根系孔隙度：将在步骤(2)中培养的植物根系取出，用水洗干净后，采用比重瓶(25ml)法计算根系孔隙度(％)：首先将比重瓶加满抽
真空水称重(m1)；然后，将待筛选植物的根系切成2cm左右的小段后称取一定
质量(m2)，置于盛有抽真空水的比重瓶中称重(m3)；然后，取出根系用研钵
研磨碎，转回比重瓶再称重(m4)，根据公式计算孔隙度(％)＝100*[(m4-m3)/(m1+m2-m3)]，每个植物品种设3个重复，计算结果取平均值，如表1；
[0038] 计算得阳极电位值：监测完毕后，取步骤(5)测定的阴极电位值减去步骤(4)测定的电压值计算得阳极电位值，如图6。
[0039] (5)观察根系结构：取步骤(2)待筛选植物根系切成1cm的小段，经FAA固定液固定、乙醇梯度脱水、透明、浸蜡包埋、切片机切片、脱蜡、复水、染色、封片、镜检等步骤，进行根系结构观察，如图7。
[0040] (6)数据统计和处理分析：绘制输出电压以及其与环境温度变化趋势如图1、图2，分析和明确环境温度与输出电压的相关性；绘制阴极电位图，如图3；阴极区pH值变化图，如图4；阴极区溶解氧浓度变化图，如图5，分析和明确pH值和溶解氧浓度与阴极电位及输出电压的相关性；绘制阳极电位曲线，如图6；结合根系结构图，如图7；确定根系孔隙度和根系泌氧率，如表1；分析各个因素与阳极电位的相关性，进而明确根系结构生理与输出电压的相关性，为筛选植物类型提供参考。
[0041] (7)明确适宜构建P-MFC的植物类型和环境条件：植物根系泌氧率低、环境温度适宜生长、阴极区pH值维持在低水平、阴极区溶氧浓度高，通过选择和调控等手段，实现新型高性能P-MFC的构建。
[0042] 表1 不同湿地植物根系渗氧率、根系孔隙度指数
[0043]
[0044] 经上述分析可知，先根据构建的P-MFC的输出电压高且持续时间长、植物根系泌氧率低来筛选植物，从而选出产电性能较好的植物资源；进一步通过调节环境温度、阴极区pH值和溶氧浓度等条件考察筛选出的植物P-MFC的产电效果，从而构建出高效的P-MFC。
[0045] 本发明考察了待筛选植物根系结构和生理指标，对应结合阳极电位变化情况，综合分析根系性状与阳极电位的关联性，这样筛选出来的植物能在更大程度上保证阳极保持相对较低的电位，利于增加输出电压。
[0046] 本发明所述用于构建高性能P-MFC的方法的实施例1中，所述步骤(3)中“将所有反应器置室外自然条件下预培养30天左右”，避免移栽后植物生长恢复能力不同造成的影响，有利于数据监测时获得稳定的输出电压；所述步骤(4)中“每隔10min记录一次电压数据”，更加精确、真实地反映电压的变化情况同时拟合温度曲线，较好的反映了环境温度与输出电压的相关性。
[0047] 实施例2
[0048] 本实施例方法除步骤(3)中的阴、阳电极采用含铂催化剂复合材料，导线为铜丝外，其余步骤与实施例1相同。
[0049] 本实施例的结果与实施例1类似，在此不再赘述。
[0050] 实施例3
[0051] 本实施例方法除步骤(3)中的阴、阳电极采用碳布，导线为银丝外，其余步骤与实施例1相同。
[0052] 本实施例的结果与实施例1类似，在此不再赘述。
[0053] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明
专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附
权利要求为准。
