一种新型的农业废弃物配方培养基显著促进了通过微生物燃料电池系统分离出的产电肠杆菌属菌株的生长：采用响应面方法学进行研究

《Environmental Microbiology Reports》：A Novel Agro-Waste Formulated Medium Enhanced the Growth of Electrogenic Enterobacter Species Isolated Using Microbial Fuel Cell System: Response Surface Methodology Approach

筛选高效电生菌并优化其培养条件，利用双室MFC反应器系统从阳极生物膜中分离出Enterobacter sp. DSAAI-4，通过CV和RSM分析发现大麦 bran作为碳源在优化条件下（35°C，pH 7，0.12 M NaCl）显著提升细胞生长（OD600nm达1.52167±0.03476）和生物量（CDW 0.01541±0.000071 g/L），该菌株具有宽温度（18-52°C）、pH（3-11）及高盐耐受（0.332 M NaCl）特性，并首次通过16S rRNA测序鉴定，适用于低成本MFC能源回收与废水处理。

　　微生物燃料电池（MFC）作为一种创新的生物电化学反应器系统，近年来在废水处理和能量转化领域展现出巨大的潜力。该系统利用电活性细菌的生物电化学特性，将有机物的化学能转化为电能，同时降解污染物。在本研究中，科学家们重点探索了从不同工业和生活污水处理系统中分离出的电活性细菌，并优化其培养条件，以便更有效地应用于MFC系统中。通过使用多种商业和农业工业废弃物作为唯一碳源，研究团队发现了一些具有高生物电化学活性的细菌株，并进一步评估了它们在不同培养条件下的生长特性。

电活性细菌（EBIs）是能够通过细胞外电子传递过程，将电子传递到MFC阳极的微生物。这些细菌在厌氧条件下，通过氧化有机物释放电子，并与阳极发生作用，从而产生电流。在MFC中，阳极上的生物膜形成对电活性细菌的活性至关重要。在本研究中，通过采用双室MFC反应器系统，从阳极形成的生物膜中分离出电活性细菌。研究还利用循环伏安法（CV）对分离的细菌进行了电化学特性分析，发现其具有良好的生物电化学特性。为了更高效地优化培养条件，研究团队使用了响应面法（RSM）和中心组合设计（CCD）方法，以评估温度、pH值和盐浓度等因素对细菌生长和电化学性能的影响。

研究发现，当使用商业碳源葡萄糖时，细菌的生长量最高，其光密度（OD600nm）达到1.1407±0.00316，细胞干重（CDW）为0.02135±0.00152 g/L。相比之下，使用大麦麸作为培养基的低成本碳源也表现出了优异的生长性能，其OD600nm值为1.52167±0.03476，CDW为0.01541±0.000071 g/L。这表明，利用农业工业废弃物作为培养基可以显著降低MFC运行成本，同时提高细菌的生长效率。此外，RSM优化后的条件使细胞生长量相比未优化条件提高了32.3%，这进一步证明了优化培养条件的重要性。

本研究还首次使用16S rRNA基因测序技术，对阳极生物膜中的原生电活性细菌进行了鉴定。结果显示，分离出的细菌属于Enterobacter属，具有广泛的底物利用能力，并且在高盐浓度（0.332 M NaCl）下表现出良好的耐受性。这表明，该菌株具有广泛的适应能力，可能成为MFC应用中极具潜力的生物催化剂。

在电活性细菌的特性分析中，研究人员发现其具有良好的生物膜形成能力，这对其在MFC中的电化学活性至关重要。通过使用不同的方法，如Congo Red Agar方法（CRAM）和微孔板法（microtiter plate test），研究团队评估了细菌的生物膜形成能力，并发现部分菌株在不同条件下表现出显著的生物膜形成能力。例如，在CRA方法中，33.8%的菌株表现出强生物膜形成能力，而40.8%表现出中等能力，25.4%则未形成生物膜。通过进一步分析，研究团队发现，当使用微孔板法时，80.3%的菌株被归类为强生物膜形成者，这表明该方法在检测生物膜形成能力方面具有更高的灵敏度。

研究还通过扫描电子显微镜（SEM）对阳极生物膜的表面形态进行了观察，发现该生物膜由短杆状细菌细胞组成，形成链状结构，并伴随着类似毛发的结构，这些结构可能在细胞间信号传递和电子传递中起到关键作用。通过CV和电化学阻抗谱（EIS）分析，研究团队验证了这些细菌的电化学性能。例如，在CV分析中，DSAAI-4菌株表现出显著的氧化和还原峰，说明其具有良好的电子传递能力。EIS分析进一步显示，DSAAI-4菌株的电导率高于裸露的阳极电极，这表明其在MFC中的应用潜力。

在培养条件优化方面，研究团队发现，DSAAI-4菌株在特定的温度、pH值和盐浓度条件下表现出最佳的生长性能。例如，在35°C、pH 7和0.12 M NaCl的条件下，该菌株的OD600nm值为1.464±0.0458，CDW为0.0199±0.001 g/L。这些结果表明，通过优化培养条件，可以显著提高电活性细菌的生长效率和电化学性能。此外，研究团队还发现，该菌株能够在较宽的温度范围（18°C至52°C）、pH范围（3至11）和盐浓度范围内有效生长，这使其在多种环境条件下具有应用潜力。

本研究还探讨了不同氮源对菌株生长的影响。结果显示，酵母提取物作为氮源，能够显著促进DSAAI-4菌株的生长，其OD600nm值达到1.2995±0.01238，CDW为0.01812±0.000552 g/L。相比之下，硫酸铵作为唯一氮源时，菌株的生长表现较差。这表明，选择合适的氮源对于提高电活性细菌的生长性能至关重要。

此外，研究团队还分析了不同农业工业废弃物作为碳源对菌株生长的影响。结果显示，大麦麸作为培养基时，菌株的生长表现最佳，其OD600nm值为1.52167±0.03476，CDW为0.01541±0.000071 g/L。这表明，农业工业废弃物不仅可以作为低成本的碳源，还能够有效促进电活性细菌的生长。通过使用这些废弃物作为培养基，可以实现资源的循环利用，同时降低MFC运行成本。

综上所述，本研究不仅成功分离出具有电化学活性的Enterobacter sp. DSAAI-4菌株，还通过优化培养条件，验证了其在MFC中的应用潜力。该菌株在多种环境条件下表现出良好的适应性，能够有效降解有机物并产生电流。这些发现为未来MFC技术的发展提供了重要的科学依据，同时也为农业废弃物的资源化利用提供了新的思路。通过结合生物电化学技术与农业废弃物处理，可以实现资源的高效利用和环境的可持续发展。