專利名稱：微生物燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微生物燃料電池。
背景技術：
微生物燃料電池具有一對電極、將上述電極電連接的外部電路和分離上述一對電極的隔膜，在其中一個電極側(cè)保持有希瓦氏菌(Siewanella)等具有細胞外電子傳遞能力的微生物。此處，所謂細胞外電子傳遞能力是指利用金屬離子或其氧化物作為電子受體， 一邊將其還原從而獲得生命活動必須的電能，一邊向上述電子受體傳遞電子的能力(非專利文獻1)。這種細胞外電子傳遞能力在作為微生物的一部分細菌中可見。即、通過局部存在于細胞膜的細胞色素向體外釋放電子的特有電子傳遞機理在光伏希瓦氏菌(Siewanella loihica)和奧奈達湖希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)這樣的希瓦氏菌屬(以下、簡稱為“希瓦氏菌”)、地桿菌屬、紅育菌屬、假單胞菌屬等一部分細菌中可見(非專利文獻2、3、 4)。如上構成的微生物燃料電池是一種通過微生物向上述其中一個電極傳遞電子產(chǎn)生電能的器件。由于用于產(chǎn)生電能的燃料可使用可再生的生物量和生活排水等中包含的有機污染物質(zhì)，所以近年來作為可持續(xù)能源受到關注。此外，也有具有還原、固定金屬元素能力的微生物，作為排水處理和環(huán)境凈化手段也受到關注。微生物燃料電池大致分為使用單一微生物的體系和直接使用排水等中生活的微生物群的混合培養(yǎng)體系(例如、專利文獻 1) 2種，希瓦氏菌是更廣泛應用于前一體系中的微生物。專利文獻1 特開2006-81963號公報非專利文獻1 =Lovley D. R. ；Nat. Rev. Microbiol.，2006，4，497-508非專利文獻2 :Gralnick，J.A. ；Newman, D. K. ；Molecul. Microbiol. 2007，65，1-11非專利文獻3 :Hernandez，Μ·Ε· ； Newman, D. K. ； Cell. Mol. Life Sci. 2001,58, 1562-1571非專利文獻4 日本微生物生態(tài)學會志O008) 23卷2號P58

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題但是，現(xiàn)狀是上述專利文獻1等以往的微生物燃料電池與現(xiàn)有的使用鉬為催化劑的化學燃料電池相比，存在電流密度極低的問題，距離實用階段還很遠。幾年來，電流密度持續(xù)提高，但和氫燃料電池等化學燃料電池相比，電流密度如果不進一步提高至少幾個數(shù)量級，則很難進入實用階段。為了增大電流密度，添加傳遞電子的介質(zhì)也被研究了，添加的介質(zhì)已知的有2，6_ 二磺酸蒽醌(anthraquinore-2，6-disulphonate) (AQDS)等醌衍生物等，但存在介質(zhì)自身昂貴，很多都有害，并且導致微生物燃料電池整體龐大的問題。因此，本發(fā)明正是鑒于上述問題而完成的，目的在于提供一種不使用介質(zhì)即可增加電流密度的微生物燃料電池。
解決問題的手段為達到上述目的，權利要求1中的發(fā)明的微生物燃料電池，其具備一對電極、將所述一對電極電連接的外部電路，其特征在于，在作為上述電極之一的負極上，在含有導電微粒和具有細胞外電子傳遞能力的微生物的溶液中，形成由三維結構構成的聚集體，所述導電微粒從所述微生物向所述負極傳遞電子。此外，權利要求2中的發(fā)明的特征在于，所述導電微粒在所述微生物彼此之間分散，同時所述導電微粒彼此之間也相互連結，以保持所述微生物。此外，權利要求3中的發(fā)明的特征在于，所述導電微粒包括氧化鐵。此外，權利要求4中的發(fā)明的特征在于，所述導電微粒包括α -Fe2O3^ α -FeOOH、 Y -Fe2O3、ε -Fe2O3 或 Fe3O40此外，權利要求5中的發(fā)明的特征在于，所述導電微粒包括硫化鐵。此外，權利要求6中的發(fā)明的特征在于，所述導電微粒是在鐵離子和硫化物離子存在的環(huán)境下采用微生物的生合成得到的。此外，權利要求7中的發(fā)明的特征在于，所述導電微粒包括氧化錳。此外，權利要求8中的發(fā)明的特征在于，所述微生物是金屬還原菌。此外，權利要求9中的發(fā)明的特征在于，金屬還原菌包括希瓦氏菌屬、地桿菌屬、 紅育菌屬或假單胞菌屬的細菌。此外，權利要求10中的發(fā)明的特征在于，金屬還原菌包括光伏希瓦氏菌或奧奈達湖希瓦氏菌。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的微生物燃料電池，導電微粒形成的網(wǎng)絡從微生物向電極傳遞電子， 由此從遠離電極浮游的微生物也可使電子向電極傳遞，所以可增加電流密度。


[圖1]是表示電化學電池中的初始微生物濃度(0D_)與恒定電流值之間的關系的圖。[圖2]是表示電極上的微生物的位置關系的概念圖，(a)以往的電極上的微生物、 (b)由微生物和導電微粒形成的三維結構構成的聚集體的示意圖。[圖3]是表示實施例中的電化學電池的構成的圖，(a)透視圖，⑶剖面圖。[圖4]是表示實施例1中使用電化學電池測定的電流生成值的圖。[圖5]是添加α-Fe2O3微粒水溶液28小時后的SEM像，(a)表示電極附近情況的圖，(b)聚集體的擴大圖。[圖6]使用電化學電池測定的CV曲線。[圖7]是表示實施例1中的白光照射效果圖，(a)光照射時的電流變化，(b)光電流的大小。[圖8]表示實施例2中使用電化學電池測定的電流生成值的圖。[圖9]表示實施例3中使用電化學電池測定的電流生成值的圖。[圖10]表示實施例4中沉淀物的照片和吸收光譜的圖。[圖11]表示實施例4中使用電化學電池測定的電流生成值的圖。
[圖12]表示實施例5中使用電化學電池測定的電流密度的圖。[圖13]表示實施例6中使用電化學電池測定的電流密度的圖。[圖14]表示實施例7中使用電化學電池測定的電流密度的圖。[圖15]表示實施例8中使用電化學電池測定的電流密度的圖。[圖16]表示實施例9中使用電化學電池測定的電流密度的圖。[圖17]表示實施例10中使用電化學電池測定的電流密度的圖。
具體實施例方式本發(fā)明的微生物具有通過局部存在于細胞膜的細胞色素向體外釋放電子的細胞外電子傳遞能力。通過電子向外部電極移動產(chǎn)生電流。本發(fā)明提供一種利用該微生物具有的性質(zhì)的微生物燃料電池。微生物燃料電池中決定電流生成的因素多種多樣，但電極的比表面積和裝置尺度、電極材料的選擇也是化學電池中共同的因素，而從微生物向電極的電子移動是微生物燃料電池所特有的，也是其中最重要的。盡管如此，對從微生物電子向電極移動的反應機理進行研究，并將其與電流密度的增大相聯(lián)系的研究報告基本上還沒有。其理由例如可列舉出不知道適合對進行電流生成的活著的微生物的電極反應進行電化學研究的體系。本發(fā)明人正是注意到這一點，進行電化學研究，從而完成了本發(fā)明。此外，在以下的說明中，是以微生物一種的希瓦氏菌為例進行的。希瓦氏菌具有通過局部存在于細胞膜的細胞色素直接向電極傳遞電子的細胞外電子傳遞能力。而且，希瓦氏菌還具有還原金屬離子和不溶性金屬氧化物的能力(金屬還原菌)。圖1表示希瓦氏菌的濃度和恒定電流值之間的關系。希瓦氏菌的濃度采用被稱為 OD法的光的透過量進行測定。此外，0D(600nm)是指將微生物懸浮液加入到光徑Icm的比色杯時的600nm的光強度。這里，OD =1.0時，微生物的個數(shù)為10的8次方個/ml是大致標準。由圖1可知，恒定電流值和希瓦氏菌的濃度無關?？梢姰a(chǎn)生的電流不是與微生物的量，而是與電極附近的微生物的量有關。對使用該希瓦氏菌的微生物燃料電池進行研究的結果發(fā)現(xiàn)，僅電極表面附近的希瓦氏菌進行電子傳遞，遠離電極浮游的希瓦氏菌幾乎不進行電子傳遞，對電流生成沒有幫助，這是不能增大電流密度原因。S卩，如圖2(a)所示，以往的微生物燃料電池100的電極103中進行電子傳遞的僅為電極103附近的希瓦氏菌302，遠離電極103浮游的希瓦氏菌301幾乎沒有進行電子傳遞。因而認為，如果能使遠離電極103浮游的希瓦氏菌301確實地進行電子傳遞，則可使微生物燃料電池100的電流密度與以往相比顯著增加。因此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，根據(jù)希瓦氏菌在導電微粒和溶液中特異性吸附、聚集，形成三維結構的聚集體，以及聚集體中的導電微粒形成的網(wǎng)絡從希瓦氏菌向電極傳遞電子，具有了從遠離電極浮游的希瓦氏菌也可向電極傳遞電子的功能。這里，聚集體是指具有作為微生物的希瓦氏菌和導電微粒的、希瓦氏菌與導電微粒特異性吸附的三維結構的狀態(tài)。此外，導電微粒被認為有很多種，但例如可舉出氧化鐵、氧化錳和硫化鐵的微粒。在本實施方式中的微生物燃料電池1中，如圖2(b)所示，在電極103的表面上，由導電微粒2和希瓦氏菌3形成三維結構的聚集體4。該聚集體4是導電微粒2在希瓦氏菌3彼此之間分散的同時，導電微粒2彼此也相互連結保持希瓦氏菌3，從而作為整體形成三維結構的。從而，希瓦氏菌3可將電極103表面上的希瓦氏菌3a和電極103表面到沿垂直方向離開的位置處的希瓦氏菌北也保持在導電微粒2上。因而，在本發(fā)明的微生物燃料電池1中，由于可在寬范圍，特別是電極103表面到沿垂直方向離開的方向范圍內(nèi)可由導電微粒2保持希瓦氏菌3，所以可使更多的希瓦氏菌3進行電子傳遞。此外，由于由導電微粒2 保持希瓦氏菌3，所以從遠離電極103的位置也可確實地將電子e_向電極103傳遞。因而， 本實施方式中的微生物燃料電池1可使電流密度飛躍性地增加。因而，與不存在導電微粒的以往的微生物燃料電池相比，以氧化鐵為代表的導電微粒和希瓦氏菌形成三維結構的聚集體的微生物燃料電池可飛躍性地增加希瓦氏菌產(chǎn)生的電流密度。這里，所謂導電微?？膳e出例如金屬氧化物。金屬氧化物可使用例如氧化鐵和氧化錳。此時，氧化鐵可使用 α -Fe203> α-FeOOH、y -Fe203> ε-Fe2O3 或!^e3O4。另外，導電微?？墒褂昧蚧F。此時，硫化鐵是通過在鐵離子和硫化物離子存在的環(huán)境下微生物借助鐵離子和硫化物離子的還原作用進行生合成得到的。此外，從電特性觀點考慮，導電微粒可舉出半導體和金屬。此外，上述a-Fe203、 a -FeOOH、y -Fe2O3和ε -Fe2O3是半導體。此外，F(xiàn)e3O4和氧化錳是金屬。本發(fā)明中使用的微生物燃料電池其特征在于，在希瓦氏菌之間或希瓦氏菌表面存在作為導電微粒的金屬氧化物，例如納米尺寸的氧化鐵微粒，作為整體形成由三維結構構成的聚集體。與希瓦氏菌之間或希瓦氏菌表面不存在金屬氧化物且不存在由三維結構構成的聚集體的以往的微生物燃料電池相比，希瓦氏菌之間或希瓦氏菌表面存在金屬氧化物的形成有由三維結構構成的聚集體的微生物燃料電池的電流生成值為其50倍以上，效率飛躍性地提高。而且，本發(fā)明的微生物燃料電池不需要以往使用的例如包括醌衍生物的介質(zhì)等，所以可得到便宜且安全性高的燃料電池。電流密度增大的機理被認為有以下的三種可能性通過添加a -Fe2O3微粒，(i)來自于各個希瓦氏菌的電流生成增大；(ii)希瓦氏菌向電極的移動、擴散得到促進；(iii)自聚集的a-Fe2O3微粒作為長距離電子傳遞材料發(fā)揮功能。關于⑴，即使在相同的a -Fe2O3微粒存在的情況，未形成a -Fe2O3/希瓦氏菌的三維聚集結構的a -Fe2O3薄膜電極上的電流生成值，與在溶液中的微生物和微粒懸浮的電池中添加有a-Fe2O3微粒時相比小的多。這表明，觀測到的電流密度的飛躍性地增大不能僅根據(jù)來自于希瓦氏菌的電流生成增大來說明。此外，關于(ii)，對于通過添加a-Fe2O3微粒促進希瓦氏菌向作為負極的ITO電極移動和擴散的可能性，從電流測定后的ITOandium Tin Oxide ；氧化銦錫)電極的情況觀察到，在a-Fe52O3微粒存在時，希瓦氏菌在ITO電極上形成牢固且量厚的生物膜。由此可以說，在a -Fe2O3微粒存在下促進希瓦氏菌向ITO電極移動是幾乎沒有可能的。此外，負極構成如下利用希瓦氏菌的代謝作為催化過程，消耗燃料，并傳遞作為希瓦氏菌的代謝廢棄物排出的電子e_，獲取電能。此外，ITO電極由于可見光透過率高且具有導電性，所以通常作為透明電極被使用。綜上所述，可以說本研究發(fā)現(xiàn)的電流生成值的飛躍性地增大是因為不借助(iii) 外力自聚集的a-Fe2O3微粒作為長距離電子傳遞材料發(fā)揮功能，從而使有助于電流生成的希瓦氏菌的數(shù)目增大的緣故。雖然僅是就α -Fe2O3 進行了敘述，但采用 α -FeOOH, y -Fe2O3, ε -Fe2O3 和 Fii3O4 等氧化鐵也同樣可獲得作為長距離電子傳遞材料的效果。硫化鐵的情況，可得到和氧化鐵同樣的長距離電子傳遞材料的效果。在鐵離子和硫化物離子存在的環(huán)境下，離子狀態(tài)時，作為介質(zhì)發(fā)揮作用，而如果變成硫化鐵，則發(fā)揮和氧化鐵同樣的長距離電子傳遞材料的作用。在自然界中，鐵離子和硫化物離子廣泛存在，但僅由鐵離子和硫化物離子無法生成硫化鐵。作為具有金屬還原能力的微生物的細菌(金屬還原菌)可由鐵離子和硫化物離子容易地生成硫化鐵。生成的硫化鐵和氧化鐵同樣作為長距離電子傳遞材料發(fā)揮功能。此外，合成硫化鐵并不容易，與向微生物中添加硫化鐵相比， 添加鐵離子和硫化物離子，微生物合成硫化鐵在工業(yè)上是更容易的。氧化錳的情況，除了先前所述的長距離電子傳遞材料的效果之外，一部分溶出的 Mn2+離子發(fā)揮介質(zhì)的作用，還可使電流生成功能提高。本發(fā)明不受本實施方式的限定，在本發(fā)明主旨范圍內(nèi)可實施各種變形。例如在上述實施方式中，僅是對使用希瓦氏菌作為微生物細菌的例子進行了說明，但本發(fā)明不限于此，使用其他的微生物、例如、和希瓦氏菌同樣具有金屬還原能力的細菌(金屬還原菌)地桿菌等、或者被稱之為mixCUltUre( 々》力化千、一)的種類不能確定的混合生物體系或生活在水田土壤中的微生物也可以。特別是具有細胞外電子功能的地桿菌(文獻 Moleculer Microbiology (2007) 65 (1), 12-20)或者紅育菌屬或假單胞菌屬(文獻日本微生物生態(tài)學會志0008)23卷2期P58)等微生物是有效的。實施例下面對本發(fā)明的實施例進行說明。應予說明，本發(fā)明不受這些實施例的限定。 再者，以下說明的實施例中使用的光伏希瓦氏菌PV-4和奧奈達湖希瓦氏菌MR-I是從 ATCC(American Type Culture Collection)購入的。其中、光伏希瓦氏菌PV-4的目錄編號(2008年度版)為BAA-1088，奧奈達湖希瓦氏菌MR-I的目錄編號(2008年度版)為 BAA-1096。(實施例1)金屬氧化物使用α -Fe2O3微粒。α -Fe2O3微粒水溶液是向沸騰的純水中滴加!^Cl3 溶液制成的。微生物使用光伏希瓦氏菌PV-4。電化學測定使用圖3所示的電化學電池9。電化學電池9包括作為負極的作用電極10、作為正極的對電極11、參比電極12和反應槽13，作用電極10、對電極11和參比電極 12與作為外部電路的恒電位器16電連接。此外，該電化學電池9通過硅橡膠制的片材17 被保持在玻璃板14上。光伏希瓦氏菌PV-4按照以下的程序培養(yǎng)。分離瓊脂培養(yǎng)基(Marine Broth 20g L-1，Agar (瓊脂)15g L-1)上保存的菌落，使其在50ml離心管的IOmlMB培養(yǎng)基(Marine Broth 20g Γ1)中懸浮，在厭氧條件下培養(yǎng)1晚 2晚。將光伏希瓦氏菌PV-4的懸浮液 IOml采用3500rpm離心分離10分鐘，使光伏希瓦氏菌PV-4沉淀后，棄掉全部上清液，換成 IOml溶液形式的電解質(zhì)。電解質(zhì)使用DM-L(IOmM)。再震蕩培養(yǎng)1晚以上，然后，用于電化學測定。震蕩使用BR-40LF(TAITEC)，在30°C、120rpm的條件下培養(yǎng)。應予說明，所謂的DM是Difined Media的縮寫，其組成(各gL—1)為NaHCO3 2. 5、CaCl2 · 2H20 0.08、NH4Cl 1. 0、MgCl2 · 6Η20 0· 2、NaC110、244-Q-羥乙基)-1-哌嗪基] 乙磺酸(HEPES、緩沖溶液)7.2。作為光伏希瓦氏菌PV-4的電子供體，加入乳酸鈉(IOmM)， 另外為了供給用于使光伏希瓦氏菌PV-4產(chǎn)生必要的微量能量的燃料，還加入酵母提取物 0. SgL—1。以下，將加入有乳酸鹽的DM培養(yǎng)基記作DM-L (IOmM)等，括弧內(nèi)的內(nèi)容表示乳酸鹽的濃度。此外，DM-L使用隊鼓泡10分以上形成厭氧條件的DM-L。為用于電化學測定而培養(yǎng)的光伏希瓦氏菌PV-4的懸浮液5ml采用3500rpm離心分離10分鐘，使光伏希瓦氏菌PV-4沉淀后，棄去全部上清液，采用0. 2ml的DM-L(IOmM) 使之再次懸浮，將注射器采取的懸浮液穿過電化學電池9的硅橡膠栓15注入。然后，注入 α -Fe2O3微粒水溶液。應予說明，在電化學電池9內(nèi)預先注入有4. Oml溶液形式的電解質(zhì)。 電解質(zhì)使用上述DM-L(IOmM)。本實施例的情況，電化學電池9的作用電極10使用ITO電極(電極面積2. Ocm2)， 對電極11使用鉬線，參比電極12使用AglAgCl IKClsat.電極。Ag|AgCl |KClsat.電極是在銀表面上付以氯化銀層，插入到氯化鉀水溶液中的電極。電測定使用恒電位器HSV-100 (Hokuto Denko)。作用電極10的電位相對于參比電極12固定為+0. 2V。溫度是在室溫進行，對電化學電池9避光，使光照射不到。注入α -Fe2O3 微粒水溶液使其在電池內(nèi)的濃度為7. 5mM，將其作為實施例1。對于α-Fe2O3的粒徑，其一次粒徑為20nm左右，聚集之后為幾百nm。此時，光伏希瓦氏菌PV-4相對于DM-L(IOmM)的濃度0D(600nm)為2. 0，α -Fe2O3微粒水溶液在電池內(nèi)的濃度如上所述為7. 5mM。S卩，相當于向細1的溶液中加入約5mg的α -狗203。應予說明，OD(600nm)是指將微生物的懸浮液加入到光徑Icm的電池時的600nm的光強度。此外，對實施例1，代替其中的注入α -Fe2O3微粒水溶液，添加檸檬酸酸鐵(III)， 以此作為比較例1。其他和實施例1同樣。此外，對實施例1，代替其中的注入α -Fe2O3微粒水溶液，不添加任何物質(zhì)，以此作為比較例2。其他和實施例1同樣。其結果如圖4所示。圖4中，(a)為實施例1的結果，(b)為比較例1的結果，(c) 為比較例2的結果。根據(jù)實施例1中得到的電流生成值可確認比不添加α -Fe2O3微粒時飛躍性地提高了 50倍以上。另一方面，將Fe3+離子加入到DM-L (IOmM)中的比較例1和什么物質(zhì)也沒有加的比較例2中，沒有觀察到添加α-Fe52O3微粒時那樣的電流生成值的增大。此外，圖5表示添加α -Fe2O3微粒經(jīng)過28小時后的SEM像。可見，作為導電微粒2 的α -F^O3微粒和作為微生物3的光伏希瓦氏菌PV-4的聚集體4形成了三維結構。α -Fe2O3 微粒在不存在光伏希瓦氏菌PV-4的場所沒有被觀測到，此外，在不添加α-Fe2O3微粒時，沒有觀測到這樣的包含光伏希瓦氏菌PV-4的聚集體4。這些結果表明，α -Fe2O3微粒和光伏希瓦氏菌PV_4牢固結合，形成三維結構的聚集體4。而且，以上的結果表明，實際上，α-Fe2O3微粒和光伏希瓦氏菌PV-4自發(fā)性地形成聚集體4，作為長距離電子傳遞材料發(fā)揮功能。本發(fā)明中發(fā)現(xiàn)的電流密度的飛躍性地增加是因為自聚集的α -Fe2O3微粒作為長距離電子傳遞材料發(fā)揮功能，從而有助于電流生成的光伏希瓦氏菌PV-4增加。這從電流測定后進行的氧化還原電位測定(CV測定)的結果可以看出(圖6)。圖6中的(1)是比較例1的結果，(2)是實施例1的結果。從該結果可確認，通過添加α -Fe2O3微粒(實施例1)得到了比比較例1大的峰值電流值。應予說明，周邊溫度是30°C。光伏希瓦氏菌PV-4表面存在的來自于細胞色素C的氧化還原電位的增大表明參與電流生成的光伏希瓦氏菌PV-4的數(shù)目增多了。因而，不隨著介質(zhì)的添加或電極表面積的增加而使參與電流生成的微生物數(shù)增加，并使電流生成值增大的手法是迄今為止沒有的新發(fā)明。此外，為了確認作為長距離電子傳遞材料的功能、即作為α-Fe2O3微粒相互連結使來自于η型半導體特性的電子長距離移動情況的途徑(以下稱移動途徑)發(fā)揮功能的事實，研究了光照射對電流生成值的影響。即，停止光照射時的電流生成值是和進行光照射時大小相同時，此時，電流生成值可認為是起因于α-Fe2O3微粒的厚度，所以通過測定該電流生成值，確認了 α -Fe2O3微粒作為移動途徑發(fā)揮功能。光照射時，表示加入α -Fe2O3時的光伏希瓦氏菌PV_4的電流生成值隨白光照射 (切去430nm以下的波長)的變化和光照射時產(chǎn)生的電流(以下稱為“光電流”)值的是圖 7。光電流值記作光照射中的電流的最高值減去光照射之前的電流值的差值。此外，光照射的時機如圖7(a)中的箭頭所示。此外，對照射光時測定的峰值電流進行作圖的結果為圖 7(b)?？梢?，在光伏希瓦氏菌PV-4引起的電流生成增大的過程中，對應于電流生成值光電流值增大，電流生成值變成極大后，增加停止。這里，α-Fe2O3具有η型半導體特性，所以光電流是通過價電子帶電子根據(jù)α -Fe2O3帶間遷移在傳導帶被光激發(fā)，該電子向電極移動而產(chǎn)生。因此，光電流在光照射一定的情況下，取決于和ITO電極導通的吸收光的Ci-Fe2O3 微粒層的厚度。因而，該結果表明，通過形成三維結構體不僅可使可參與電流生成的光伏希瓦氏菌PV-4的數(shù)目增大，而且α-Fe2O3微粒還作為移動途徑發(fā)揮功能。應予說明，所謂光激發(fā)是指某能量級內(nèi)的原子或原子系的數(shù)目隨照射材料的光的吸收而變化的過程。(實施例2)在上述實施例1中，除了將電化學電池9的作用電極10選為石墨電極以外，其他的構成和條件與上述實施例1同樣(實施例2)。震蕩使用BR-40LF (TAITEC)，在30°C、 120rpm的條件下培養(yǎng)。應予說明，石墨電極由碳為主成分的粉末燒結體構成。在本實施例中，由于未進行光照射，所以未使用ITO電極，而是使用石墨電極。此外，對實施例2，代替其中的注入α -Fe2O3微粒水溶液，不添加任何物質(zhì)，以此作為比較例3。其他和實施例2同樣操作。其結果如圖8所示。圖8中，(a)是實施例2的結果，(b)是比較例3的結果。由圖8顯而易見的，實施例2和實施例1同樣也觀察到電流生成值的大幅增大。而在不添加任何物質(zhì)的比較例3中，沒有觀測到添加α-Fe2O3微粒時那樣的電流生成值的增大。從該結果可知，本發(fā)明的微生物燃料電池1的作用電極10在使用石墨電極時也可獲得和使用ITO 電極的實施例1同樣的效果。(實施例3)在上述實施例1中，除了采用奧奈達湖希瓦氏菌MR-I作為微生物以外，其他構成和條件和上述實施例1同樣(實施例3)。震蕩使用BR-40LF (TAITEC)，在30°C、120rpm的條件下培養(yǎng)。此外，對實施例3，代替其中的注入α -Fe2O3微粒水溶液，不添加任何物質(zhì)，以此作為比較例4。其他和實施例3同樣操作。其結果如圖9所示。圖9中、(a)是實施例3的結果，(b)是比較例4的結果。從圖9顯而易見的，實施例3和實施例1同樣也觀察到電流生成值的大幅增大。而在不添加任何物質(zhì)的比較例4中，沒有觀測到添加α-Fe52O3微粒時那樣的電流生成值的增大。從該結果可知，本發(fā)明的微生物燃料電池1的微生物在使用奧奈達湖希瓦氏菌MR-I時也可獲得和使用光伏希瓦氏菌PV-4的實施例1同樣的效果。(實施例4)對使用硫化鐵微粒作為導電微粒的情況的實施例(實施例4)進行說明。在!^3+和離子存在的環(huán)境下，和實施例1同樣進行光伏希瓦氏菌PV-4的培養(yǎng)。將保存在含有
!^3+和離子的瓊脂培養(yǎng)基(Marine Broth 20g L—1，Agar (瓊脂)15g L—1)上的菌落在厭氧條件下培養(yǎng)一晚。震蕩使用BR-40LF(TAITEC)，在30°C、120rpm的條件下培養(yǎng)。此時， Fe3+被!^2+還原，S2O32"被S2—還原，生成i^eS。對于硫化鐵微粒的粒徑，其一次粒徑為20nm 左右，聚集之后為幾百nm。進行離心分離，穿過圖3所示的電化學測定用電化學電池9的硅橡膠栓15注入光伏希瓦氏菌PV-4的懸浮液。此時，光伏希瓦氏菌PV-4相對于DM-L (IOmM) 的濃度0D(600nm)為2. 0，硫化鐵微粒水溶液在電化學電池9內(nèi)的濃度為7. 5mM。其結果，得到的沉淀物(培養(yǎng)后20日后)的照片和吸收光譜如圖10所示。圖中 (a)為存在光伏希瓦氏菌PV-4時的結果，(b)為不存在光伏希瓦氏菌PV-4時的結果。存在光伏希瓦氏菌PV-4時，可確認生成了黑色沉淀物。其吸收光譜到達了近紅外區(qū)域，因而確認是硫化鐵。另一方面，不存在光伏希瓦氏菌PV-4時觀測到的到600nm的吸收來自于氫氧化鐵。其結果，得到的硫化鐵微粒和光伏希瓦氏菌PV-4的懸浮液注入到電化學電池9內(nèi)時的電流-時間曲線如圖11所示。圖中(a)是存在硫化鐵微粒時的結果(實施例4)，(b) 是不存在硫化鐵微粒時(僅存在光伏希瓦氏菌PV-4、比較例5)的結果。在本實施例中，與不存在硫化鐵微粒(僅存在光伏希瓦氏菌PV-4、比較例幻的情況相比，電流生成值飛躍性地提高了 30倍以上。該結果表明，硫化鐵微粒也表現(xiàn)出和上述實施例1的α -Fe2O3同樣的效果。(實施例5)對上述實施例1中使用Y -Fe2O3微粒作為導電微粒情況的實施例(實施例5)進行說明。除使用Y-Fe2O3微粒以外，其他采用和實施例1同樣的手法在厭氧條件下培養(yǎng)光伏希瓦氏菌PV-4。震蕩使用BR-40LF(TAITEC)，在30°C、120rpm的條件下培養(yǎng)。對于Y-Fe2O3 微粒的粒徑，其一次粒徑為20nm左右，聚集之后為幾百nm。將Y-Fe2O3微粒溶于純水中， 將得到的Y-Fe2O3微粒水溶液注入電化學電池9內(nèi)，使其在電池內(nèi)的濃度為7.5mM，此時的電流密度-時間曲線如圖12所示。應予說明，此時，光伏希瓦氏菌PV-4相對于DM-L(IOmM) 的濃度OD (600nm) % 2.0, y -Fe2O3微粒水溶液在電池內(nèi)的濃度如上所述為7. 5mM。即，相當于在細1的溶液中加入約5mg的γ-Fi52O3微粒。圖中(a)為存在Y-Fe2O3微粒時的結果 (實施例5)，(b)為不存在Y-Fe2O3微粒(僅存在光伏希瓦氏菌PV-4、比較例6)的結果。 在本實施例中，與不存在Y-Fe2O3微粒(僅存在光伏希瓦氏菌PV-4、比較例6)的情況相比， 電流密度增加約2倍。應予說明，γ-Fe2O3 微粒是根據(jù)文獻(Y. S. Kang, S. Risbud, J. F. Rabolt,P. Stroeve Chem. Mater.，1996，8，2209)記載的方法制成的。首先，將 FeCl3X6H20(52mM) *!^C12X4H20(^iiM)溶于氮飽和了的40ml的超純水中，使其摩爾比為2 1，然后向溶液中加入濃鹽酸1. 4mL·將其在激烈攪拌下滴加到1. 5M的NaOH溶液415ml中。隨著滴加的進行產(chǎn)生黑色沉淀，棄去上清液，采用超純水洗滌幾次，然后再加濃鹽酸以中和溶液，得到狗304溶液。從上述合成的!^e3O4溶液中使!^e3O4沉淀，干燥，以粉末的形式回收。將該粉末在250°C下加熱3小時，得到Y -Fe2O3微粒。(實施例6)對上述實施例1中采用ε -Fe2O3微粒作為導電微粒的情況的實施例(實施例6)進行說明。除使用ε -Fe2O3微粒以外，其他和實施例1采用同樣的手法在厭氧條件下培養(yǎng)光伏希瓦氏菌PV-4。震蕩使用BR-40LF(TAITEC)，在30°C、120rpm的條件下培養(yǎng)。對于S-Fe2O3 微粒的粒徑，其一次粒徑為20nm左右，聚集之后為幾百nm。將ε-Fe2O3微粒溶于純水中， 將得到的ε -Fe2O3微粒水溶液注入電化學電池9內(nèi)，使其在電池內(nèi)的濃度為7. 5mM，此時的電流密度-時間曲線如圖13所示。應予說明，此時，光伏希瓦氏菌PV-4相對于DM-L(IOmM) 的濃度OD (600nm)為2. 0，ε -Fe2O3微粒水溶液在電化學電池9內(nèi)的濃度如上所述為7. 5mM。 即，相當于在細1的溶液中加入約5mg的ε-Fe2O3微粒。圖中(a)為存在ε-Fe2O3微粒時的結果(實施例6)，(b)為不存在ε -Fe2O3微粒(僅存在光伏希瓦氏菌PV_4、比較例7)時的結果。在本實施例中，與不存在ε-Fe2O3微粒(僅存在光伏希瓦氏菌PV-4、比較例7)的情況相比，電流密度增加約2倍。應予說明，ε-Fe2O3微粒是根據(jù)參考文獻(Journalof the Physical Society of Japan, Vol. 74，No. 7，July, 2005, pp. 1946-1949)制作的。具體的，首先開始在正辛烷為油相的溶液的水相中溶解表面活性劑(例如十六烷基三甲基溴化銨)制作膠束溶液。向該膠束溶液中溶解硝酸鐵(III)和硝酸銦(III)，同時向其中加入硝酸鋇作為形狀控制劑，制作原料溶液。此外，除制作原料溶液以外，還另行制作中和劑溶液，其是通過向以正辛烷為油相的溶液的水相中溶解表面活性劑(例如十六烷基三甲基溴化銨)，然后向得到的膠束溶液中混合氨水溶液等的中和劑制作的。其次，采用反膠束法，通過攪拌混合原料溶液和中和劑溶液制作混合溶液。向該混合溶液中適當添加硅酸乙酯溶液作為硅烷化合物，采用溶膠-凝膠法在氫氧化鐵系化合物顆粒表面被覆二氧化硅制作二氧化硅被覆氫氧化鐵系化合物顆粒。然后，從混合溶液分離二氧化硅被覆氫氧化鐵系化合物顆粒，在大氣氣氛下，在規(guī)定的溫度(700 1300°C的范圍內(nèi))燒成處理。通過該燒成處理，二氧化硅被覆氫氧化鐵系化合物顆粒在二氧化硅殼內(nèi)部發(fā)生氧化反應，生成微小的ε -Fe2O3微粒。(實施例7)對上述實施例1中采用α -FeOOH微粒作為導電微粒的情況的實施例(實施例7) 進行說明。除使用α-FeOOH微粒以外，其他和實施例1采用同樣的手法在厭氧條件下培養(yǎng)光伏希瓦氏菌PV-4。震蕩使用BR-40LF(TAITEC)，在30°C、120rpm的條件下培養(yǎng)。對于 α -FeOOH微粒的粒徑，其一次粒徑為20nm左右，聚集之后為幾百nm。將α -FeOOH微粒水溶液注入電化學電池9內(nèi)，使其在電池內(nèi)的濃度為7. 5mM，此時的電流密度-時間曲線如圖14所示。應予說明，此時，光伏希瓦氏菌PV-4相對于DM-L(IOmM)的濃度0D(600nm)為 2.0，α-FeOOH微粒水溶液在電化學電池9內(nèi)的濃度如上所述為7. 5mM。圖中(a)為存在α -FeOOH微粒時的結果(實施例7)，(b)為不存在α -FeOOH微粒(僅存在光伏希瓦氏菌 PV-4、比較例7)的結果。在本實施例中，與不存在α-FeOOH微粒(僅存在光伏希瓦氏菌 PV-4、比較例8)的情況相比，電流密度飛躍性地增加(約50倍)。15小時以后觀察到的電流密度的減少歸屬于燃料乳酸鹽的消耗。應予說明，a-FeOOH微粒水溶液是根據(jù)文獻(Ref. R. J. Atkinson, Α. Μ. Posner，and J. P. Quirk J. Phys. Chem.，1967，71，550)記載的方法制作的。首先，向 0. IM 的 FeCl3 溶液 160ml中加入2. 5M的NaOH溶液40ml，在60°C加熱M小時。得到的溶液采用纖維素制的透析膜(截留分子量6000 8000)進行透析，得到α-FeOOH微粒水溶液。(實施例8)對上述實施例1中采用狗304微粒作為導電微粒的情況的實施例(實施例8)進行說明。除使用狗304微粒以外，其他和實施例1采用同樣的手法在厭氧條件下培養(yǎng)光伏希瓦氏菌PV-4。震蕩使用BR-40LF (TAITEC)，在30°C、120rpm的條件下培養(yǎng)。對于!^e3O4微粒的粒徑，其一次粒徑為20nm左右，聚集之后為幾百nm。將!^e3O4微粒水溶液注入電化學電池9 內(nèi)，使其在電池內(nèi)的濃度為7. 5mM，此時的電流密度-時間曲線如圖15所示。應予說明，此時，光伏希瓦氏菌PV-4相對于DM-L(IOmM)的濃度0D(600nm)為2. OJe3O4微粒水溶液在電化學電池9內(nèi)的濃度如上所述為7. 5mM。S卩，相當于在細1的溶液中加入約5mg的狗304微粒。圖中(a)為存在!^e3O4微粒時的結果(實施例8)，(b)為不存在!^e3O4微粒(僅存在光伏希瓦氏菌PV-4、比較例9)的結果。在本實施例中，與不存在!^e3O4微粒(僅存在光伏希瓦氏菌PV-4、比較例9)的情況相比，電流密度增加約3倍。應予說明，F(xiàn)e3O4微粒水溶液是根據(jù)文獻(Ref. Y. S. Kang, S. Risbud, J. F. Rabolt, P. Stroeve Chem. Mater.，1996，8，2209)記載的方法制作的。首先，將 FeCl3X6H20(52mM) *!^C12X4H20(^iiM)溶于氮飽和了的40ml的超純水中，使其摩爾比為2 1，然后向溶液中加入濃鹽酸1. 4mL·將其在激烈攪拌下滴加到1. 5M的NaOH溶液415ml中。隨著滴加的進行產(chǎn)生黑色沉淀，棄去上清液，采用超純水洗滌幾次，然后再加濃鹽酸以中和溶液，得到 Fe3O4微粒水溶液。(實施例9)對上述實施例1中采用氧化錳(MnO2)微粒作為導電微粒的情況的實施例(實施例9)進行說明。除使用氧化錳微粒以外，其他和實施例1同樣在厭氧條件下培養(yǎng)光伏希瓦氏菌PV-4。震蕩使用BR-40LF(TAITEC)，在30°C、120rpm的條件下培養(yǎng)。對于氧化錳微粒的粒徑，其一次粒徑為20nm左右，聚集之后為幾百nm。將氧化錳微粒溶于純水中，將得到的氧化錳微粒水溶液注入電化學電池9內(nèi)，使其在電池內(nèi)的濃度為7. 5mM，此時的電流密度-時間曲線如圖16所示。應予說明，此時，光伏希瓦氏菌PV-4相對于DM-L(IOmM)的濃度0D(600nm)為2. 0，氧化錳微粒水溶液在電池內(nèi)的濃度如上所述為7. 5mM。圖中(a)為存在氧化錳微粒時的結果(實施例9)，(b)為不存在氧化錳微粒(僅存在光伏希瓦氏菌PV-4、 比較例10)的結果。在本實施例中，與不存在氧化錳微粒(僅存在光伏希瓦氏菌PV-4、比較例10)的情況相比，電流密度增加約8倍。應予說明，氧化錳微粒是采用文獻(Ref.R.M. McKenzie Mineral. Mag.，1971，38， 493)記載的方法制作的。首先，加熱Mn (NO3)3溶液使水分幾乎完全揮發(fā)后，于180°C加熱48 小時。得到的固體溶于濃鹽酸中，一邊過濾該溶液一邊滴加到超純水中。生成暗褐色的沈殿，對此洗滌、過濾，得到氧化錳微粒。(實施例10)對微生物使用從水田土壤采取的微生物的情況的實施例(實施例10)進行說明。 對導電微粒使用α-Fe2O3微粒的情況，以及使用!^e3O4微粒的情況，分別進行了確認。此外， α -Fe2O3微粒采用和實施例1同樣的程序制作，F(xiàn)e3O4微粒采用和實施例8同樣的程序制作。水田土壤微生物按照以下的程序培養(yǎng)。培養(yǎng)采用12mL的PS培養(yǎng)基。培養(yǎng)時，添加乙酸鈉(IOmM)作為電子供體。添加20mg(濕重量)的水田土壤作為微生物源。在溫度 30°C培養(yǎng)，電流密度降低時(缺乏醋酸時)，再次添加乙酸鈉(IOmM)。此外，PS培養(yǎng)基是 NH4Cl IOmM, KH2PO4 ImM, MgCl2 0. 5mM, CaCl2 0. 5mM, NaHCO3 5mM, HEPES 10mM，酵母提取物 0. 5g/L。加入乙酸鈉(IOmM)作為微生物的電子供體，此外，為了向微生物供給必要的微量的燃料而加入酵母提取物0. SgL—1。電化學測定采用圖3所示電化學電池9。作用電極10采用ITO電極(直徑2. 8cm、 電極面積6. 2cm2)，對電極11采用鉬線，參比電極12采用AglAgCl I KClsat.電極。該電化學電池9保持在玻璃板14上。此外，電化學電池9內(nèi)預先注入作為溶液形式的電解質(zhì)4. Oml0 電解質(zhì)使用上述DM-L(IOmM)。電解質(zhì)經(jīng)隊鼓泡10分以上形成厭氧條件后用于測定。為用于電化學測定而培養(yǎng)的微生物的懸浮液5ml采用3500rpm離心分離10分鐘使微生物沉淀后，棄去全部上清液， 用0. 2ml的DM-L(IOmM)使之再次懸浮，注射器采取的懸浮液穿過電化學電池9的硅橡膠栓 15注入。電測定使用HSV-100 (Hokuto Denko)。作用電極10的電位相對于參比電極12固定為+0.2V。溫度是在室溫下進行，對電化學電池9遮光，使光照射不到。向其中注入前述α -Fe2O3微粒水溶液，將微粒濃度為5mM者作為實施例10 (1)，注入!^e3O4微粒水溶液，將微粒濃度為3. 3mM者作為實施例10 (2)。對于α -Fe2O3的粒徑，其一次粒徑為20nm左右， 聚集之后為幾百nm。此時，水田土壤微生物相對于DM-L(IOmM)的濃度0D(600nm)為2. 0， α -Fe2O3微粒、!^e3O4微粒分別按照以！^原子換算為IOmM的濃度進行添加。對實施例10，代替其中注入的α -Fe2O3微粒水溶液、Fe3O4微粒水溶液，不添加任何物質(zhì)，以此作為比較例11。其他和實施例10同樣操作。其結果如圖17所示。圖中、(a)為添加α-Fe2O3微粒時的結果(實施例10(1))， (b)為添加!^e3O4微粒時的結果(實施例1(K2))，(c)為比較例11的結果。使用水田土壤的微生物的情況，可確認，實施例10的電流密度相對于不添加α -Fe2O3微?；?^e3O4微粒的比較例11飛躍性地提高50倍以上。另一方面，在不加任何導電微粒的比較例11中，沒有觀測到添加α -Fe2O3微粒時那樣的電流密度的增大。對培養(yǎng)后在電極表面上形成的生物膜內(nèi)的微生物的基因組采用16SrRNA基因克隆文庫法進行解析。首先，使用FastDNA Spin Kit for Soil (MP bio)從電極表面上的生物膜內(nèi)的微生物提取DNA。然后，將該DNA作為模板，使用細菌16S rRNA基因的特異性引物Q7F 5 ‘ -AGAGTTTGATCCTGGCTCAG, 517R :ATACCGCGGCTGCTGG)，根據(jù)聚合酶鏈反應(polymerasechain reaction,PCR)法進行擴增。得到的 PCR 產(chǎn)物于 pGEM-T Easy vector (Promega)上進行克隆，導入Ε. coli JM109 (Promega)中進行克隆化。此外，對克隆的序列進行序列解析(Takara)。其結果是添加了 Q-Fe2O3微粒的實施例10(1)的情況，21/48克隆(44% )具有近緣地桿菌屬的序列，在添加了 !^e3O4的實施例1(K2)的情況，17/48克隆(35% )具有近緣地桿菌屬的序列。順便說一下，比較例中的不添加導電微粒的比較例11的情況，7/48克隆(15% )具有近緣地桿菌屬的序列。此外， 在原水田土壤中，地桿菌屬的比例為以下。產(chǎn)業(yè)實用性現(xiàn)在，使用鉬的化學燃料電池的研究非常盛行，但作為鉬自身的特點，其稀缺性高。此外，這樣的化學燃料電池由于很難在氫產(chǎn)生之際除去碳，所以不利于二氧化碳的削減。從微生物直接產(chǎn)生電子的微生物燃料電池結構簡單，且具有碳平衡(carbon neutrality)的特征(雖然產(chǎn)生二氧化碳，但由于不依賴于化石燃料，所以不會打亂碳循環(huán)流)。因而，使微生物燃料電池的電流密度大幅提高的本發(fā)明非常有用。
0130]符號說明0131]1微生物燃料電池0132]2導電微粒0133]3微生物0134]4聚集體0135]9電化學電池0136]10作用電極(負極)0137]11對電極0138]12參比電極0139]13反應槽0140]14玻璃板0141]15硅橡膠栓0142]16恒電位器(外部電路)0143]17硅橡膠片0144]100微生物燃料電池0145]103電極0146]301,302 微生物
權利要求
1.微生物燃料電池，其具備一對電極和將所述一對電極電連接的外部電路，其特征在于，在作為上述電極之一的負極上，在含有導電微粒和具有細胞外電子傳遞能力的微生物的溶液中，形成由三維結構構成的聚集體，所述導電微粒從所述微生物向所述負極傳遞電子。
2.權利要求1所述的微生物燃料電池，其特征在于，所述導電微粒在所述微生物彼此之間分散，同時所述導電微粒彼此之間也相互連結，以保持所述微生物。
3.權利要求1或2所述的燃料電池，其特征在于，所述導電微粒包括氧化鐵。
4.權利要求3所述的微生物燃料電池，其特征在于，所述導電微粒包括a-Fe203、 α -FeOOH、y _Fe203、ε -Fe2O3 或 Fe3O40
5.權利要求1或2所述的微生物燃料電池，其特征在于，所述導電微粒包括硫化鐵。
6.權利要求5所述的微生物燃料電池，其特征在于，所述導電微粒是在鐵離子和硫化物離子存在的環(huán)境下采用微生物的生合成得到的。
7.權利要求1或2所述的微生物燃料電池，其特征在于，所述導電微粒包括氧化錳。
8.權利要求1 7任一項所述的微生物燃料電池，其特征在于，所述微生物是金屬還原菌。
9.權利要求8所述的微生物燃料電池，其特征在于，所述金屬還原菌包括希瓦氏菌屬、 地桿菌屬、紅育菌屬或假單胞菌屬的細菌。
10.權利要求8所述的微生物燃料電池，其特征在于，所述金屬還原菌包括光伏希瓦氏菌或奧奈達湖希瓦氏菌。
全文摘要
提供一種不使用介質(zhì)即可增加電流密度的微生物燃料電池。微生物燃料電池(1)具有由三維結構構成的聚集體，所述聚集體由導電微粒(2)和微生物(3)形成。聚集體(4)通過導電微粒(2)在希瓦氏菌(3)彼此之間分散，同時導電微粒(2)彼此之間也相互連結，以保持希瓦氏菌(3)，從而作為整體形成三維結構。由此，希瓦氏菌(3)使電極(103)表面上的希瓦氏菌(3a)和從電極(103)表面到沿垂直方向離開的位置上的希瓦氏菌(3b)均保持在導電微粒(2)上，因而可使更多的希瓦氏菌(3)傳遞電子。
文檔編號H01M4/90GK102204002SQ200980109469
公開日2011年9月28日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權日2008年3月28日
發(fā)明者中村龍平, 加藤創(chuàng)一郎, 橋本和仁, 渡邊一哉, 甲斐文祥 申請人:獨立行政法人科學技術振興機構