未分类 · 2020年3月2日 0

细菌如何在微生物燃料电池中产生动力?

难度 <! - 6 - >
所需时间 很长(1个月以上)
先决条件 使用万用表和熟悉电力物理学的经验是有帮助的,但不是必需的。还建议了解如何使用细菌的基本知识来完成这个科学展览项目。有关如何进行微生物学实验的信息,请参阅微生物学技术和故障排除指南。
材料可用性 微生物燃料电池套件需要我们的合作伙伴特别订购 Home Science Tools
费用 非常高(超过150美元)
安全 处理微生物燃料电池的电极(阴极和阳极)时,请务必佩戴随套件提供的手套。电极由称为石墨纤维的导电材料制成,不应放置在电子设备或电源插头附近,或将其纤维分散在空气中。在培养细菌时使用无菌技术。在开始任何实验之前,请阅读微生物安全指南。可能需要 SRC批准。建议成人监督。

摘要

细菌是强大的小动物。他们可以处理污染物,让我们生病,你知道他们甚至可以发电吗?在称为微生物燃料电池(MFC)的装置中,它们可以从诸如有机材料的食物源中提取电子并将它们馈送到电路中以产生电力。这样他们甚至可以将平原土壤变成能量来源!虽然细菌”吃” 了什么样的食物,这有关系吗?了解细菌如何在微生物燃料电池中生长,以及MFC中的发电如何根据所提供的食物来源而变化。

目的

监测微生物燃料电池的功率输出,并比较两种不同基质的发电量和细菌数量。

积分

Svenja Lohner,PhD,Science Buddies
Teisha Rowland,PhD,Science Buddies

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

Lohner,Svenja和Teisha Rowland。”细菌如何在微生物燃料电池中产生动力?” 科学伙伴,2018年11月20日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/MicroBio_p032/microbiology/bacteria-microbial-fuel-cell。2019年7月6日访问。

APA风格

Lohner,S。,&amp;罗兰,T。(2018年11月20日)。细菌如何在微生物燃料电池中产生电力?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/MicroBio_p032/microbiology/bacteria-microbial-fuel-cell


最后编辑日期:2018-11-20

简介

土壤中充满了细菌,当放入微生物燃料电池(MFC)时会产生电力。由于这种充满细菌的土壤几乎遍布地球上的任何地方,微生物燃料电池几乎可以在全球任何地方制造清洁的可再生电力。随着自然资源的枯竭,科学家的注意力已经转移到追求替代能源,例如MFCs,甚至比以前更多。微生物燃料电池是可以使用微生物发电的装置.MFC具有两个电极和分隔电极的区域(称为)。为了使MFC起作用,电子形式的电流必须流入一个电极并离开另一个电极。这是如何完成的?它与MFC中的细菌有关。某些类型的土壤细菌可以帮助发电。这些被称为产气细菌的细菌包括 Shewanella 种,它们几乎存在于地球上的任何土壤中,如图1所示。和 Geobacter 物种,它们更喜欢生活在地下深处的土壤中,甚至不存在氧气的海洋中。土壤细菌会吃掉土壤中的细菌,如微观营养素和糖类,反过来会产生释放回土壤的电子。电子是具有负电荷的亚原子粒子。这些电子可被利用并用于产生,这是一种能量形式。


图1。这是希瓦氏菌属细菌的高倍放大图像,特别是物种.oneidensis中
的。细菌是在该图像中散布的圆柱形杆.(图像的其他部分是细菌被淹没的冰块,以拍摄这张照片。)(图片来源:PLoS Biology)

在使用这些土壤细菌的土壤MFC中,一个电极(特别是阳极)被埋在潮湿的土壤中。在那里,细菌繁殖并覆盖电极(在其上产生生物膜),从而为土壤中的有机或无机基质分解提供大量电子。同时,另一个电极(称为阴极)放置在土壤顶部,使其一侧完全暴露在空气中。来自阳极的电子向上传播到阴极,并且在那里,它们与氧气(来自空气)和来自阳极的质子(由细菌在消化土壤中的营养物时制成)反应以产生水。有关此过程的可视化,请参见图2。土壤中产生电子的土壤咀嚼细菌越多,MFC产生的电量就越多。

在微生物燃料电池内发生的化学反应图。
图2. 该图显示了微生物燃料电池(或MFC)中发生的反应,使其发电.(维基共享资源,2010,MFCGuy2010)

要评估MFC的整体性能,通常会确定其功率输出。这是通过测量连接到MFC的固定电阻上的电压来完成的,并且通过推导欧姆定律来计算功率,如公式1所示。

等式1:

  • P 是以瓦特为单位的功率(W),
  • V 是电压(V)和
  • R 是以欧姆(Ω)为单位的电阻。

如果您使用多个不同的电阻器,您可以生成功率电阻曲线,这样您就可以确定微生物燃料电池的最大功率输出,详见程序。当细菌开始从土壤中的食物中产生能量时,功率输出将随着时间的推移开始增加并最终达到稳定状态。

在这个科学项目中,您将监测两个微生物燃料电池的功率输出,并比较两种不同基质产生的功率:土壤和食糖(蔗糖)。同时,您将使用平板计数法通过在营养琼脂平板上铺设土壤中的细菌来监测和比较每个MFC中细菌的数量。样品中存在的每个细菌或细胞群将形成细菌菌落,您可以将其视为菌落形成单位(c.f.u。)。由于1克(g)的土壤含有高达数万亿的单个细菌,因此您必须先对样品进行连续稀释,然后才能将其放在琼脂平板上。通过这种方式,您可以确保每个平板上只有少量菌落,这样可以更容易计数。随着功率输出的增加,您认为MFC中的细菌数量会怎样?它会增加,减少还是保持相对稳定?你是否会看到更多的细菌在添加或不添加糖的情况下生长?你会看到不同类型的微生物在增长吗?做这个科学项目并找出来!

术语和概念

  • 微生物燃料电池(MFC)
  • 可再生能源或替代能源
  • 电极
  • 电子
  • 电生菌
  • 希瓦氏菌
  • 地杆菌
  • 电力
  • 阳极
  • 生物膜
  • 阴极
  • 电力输出
  • 电阻
  • 欧姆定律
  • 平板计数法
  • 营养琼脂平板
  • 菌落形成单位(c.f.u。)
  • 连续稀释
  • 欧姆(Ω)
  • 电压
  • 瓦特

问题

  • 您在哪里找到致细菌及其天然食物来源?
  • 微生物燃料电池中的阳极和阴极反应是什么?
  • 您如何评估微生物燃料电池的性能以及如何测量它?
  • 电生菌如何将电子转移到阳极?
  • 目前微生物燃料电池的限制是什么?
  • 如何提高微生物燃料电池的功率输出?

参考书目

这些资源将为您提供有关土壤微生物学,微生物燃料电池和所涉细菌的更多信息:

有关电子术语和使用电压表/万用表的更多信息,请使用本教程:


材料和设备 产品套件可用

需要这些专业项目:

  • 我们的合作伙伴提供的微生物燃料电池套件家庭科学工具。需要套件:
    • 微生物燃料电池容器(2)
    • 阳极(2)
    • 阴极(2)
    • 黑客委员会(2)
    • 电容器(2)
    • LED(2)
    • 由微生物燃料电池供电的数字时钟/温度计(1)
    • 7个电阻器组(1)
    • 鳄鱼夹和跨接线(2)
    • 数字万用表(1)
    • 丁腈手套(1对)
  • 细菌发现试剂盒,可从我们的合作伙伴处获得 Home Science工具。需要套件:
    • 营养琼脂平板(10或更多)
    • 一次性手套(3对)
    • 医药滴管(2)
    • 无菌拭子(10个或更多)

您还需要在本地收集这些项目:

  • 可选:旧报纸保护您的工作区
  • 土壤(至少4杯)或约400克过筛土壤
    • 来自几乎任何地方的土壤 – 来自后院,公园,开放空间,甚至是河床。只要确保土壤没有经过杀虫剂处理,并且你有权使用它们。
    • 土壤也可以从苗圃,五金店或网上购买。当您购买土壤时,选择未经过消毒或用杀虫剂处理过的有机表土.使用含有少量白色泡沫球,蛭石块或珍珠岩的土壤,这些土壤用于对土壤进行曝气;另外,避免泥炭苔土。
  • 用于从土壤中去除大颗粒的筛子,塑料过滤器或滤锅
  • 可容纳所有土壤的大型搅拌碗
  • 量杯 100 mL量筒.100毫升量筒可从 Amazon.com
  • 蒸馏水(至少1.5升)。这可以在大多数杂货店购买。
  • 纸巾或抹布
  • 遮蔽胶带
  • 永久性记号笔
  • 带盖子的迷你杯,2盎司(至少20个)
  • 茶匙
  • 食糖(蔗糖)
  • 揉酒精
  • 来自蜡烛或燃气灶的火焰
  • 秒表
  • 数字刻度,增量为0.1 g;一个适合的数字秤是Fast Weigh MS-500-BLK数字口袋秤,可从Amazon.com
  • 实验室笔记本

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

推荐项目用品

获得正确的耗材 – 经过选择和测试,以便与该项目合作

项目套件:79.95美元 View Kit

实验程序

科学博览会中的微生物燃料电池

使用微生物燃料电池涉及培养土壤细菌。因此,许多科学博览会,包括与国际科学与工程博览会(ISEF)相关的科学博览会都有在开始您的项目之前需要满足的要求。我们建议您:

  • 与您的老师或科学博览会协调员核实任何要求
  • 阅读科学伙伴微生物安全指南学习如何安全处理细菌

设置微生物燃料电池和细菌计数

您将组装两个相同的微生物燃料电池,其中包含相同的土壤材料。在该程序的后期,您将为其中一个提供糖食物来源,并将其功率输出和细菌数量与对照微生物燃料电池进行比较,不进行任何处理。

  1. 首先,观看视频或按照分步说明查看如何组装微生物燃料电池。

  1. 准备土泥。
    1. 将塑料滤网或滤锅放在一个大型搅拌碗上。
    2. 为每个微生物燃料电池测量总共约2杯(约500毫升[mL])土壤进入过滤器(总共4杯)。轻轻摇动碗上的过滤器,使土壤变形,从土壤中除去任何小的硬颗粒(如岩石,鹅卵石,树枝等)。你可能需要耐心;土壤拉紧可能需要几分钟。当你完成后,你应该在碗里有大约400克精细过筛的土壤。
      1. 重要的是从土壤中去除这些颗粒,因为它们可以使土壤充气并抑制所需的细菌生长(细菌不希望暴露在氧气中)。
    3. 加入蒸馏水并混合,直到你的表土泥感觉像饼干面团。如果泥浆太脆,则加入更多的水,或者如果混合物感觉太湿则添加更多的表土。对于400克土壤,您可能需要约1杯(250毫升)水。
    4. 当你准备好表土泥时,把它放在一边洗手。
    5. 取出准备好的土壤样本,测量初始细菌数量。
      1. 将金属汤匙浸泡在酒精中,甩掉多余的酒精,然后将其放入火焰(蜡烛或燃气灶)中,对金属汤匙进行消毒。等到勺子上的火焰烧坏,让勺子冷却下来。
      2. 用日期和时间标记一个迷你杯,然后用你的消毒勺将大约2-3勺装满你准备好的土壤(你需要0.5克)舀到杯子里。盖上盖子,暂时把它放在一边。

  2. 小心地从包装盒中取出MFC碎片并将它们放好。识别不同的组件并使用遮蔽胶带和永久性标记来标记其中一个具有”控制” 的设备,另一个标记为”糖处理” 。
  3. 戴上MFC附带的手套,开始组装第一个微生物燃料电池。
  4. 取出MFC电极附带的绿色和橙色电线。弯曲塑料部件末端的每根导线,使每根导线成90°角(形状像大写字母”L” ),如上面的视频所示。
  5. 从袋子中取出MFC阳极.(阳极是较薄的黑色毛毡状圆形。)
    1. 安全注意事项: MFC的阴极和阳极(电极)由称为<石墨纤维的导电材料制成。不要将阴极或阳极放在电子设备或电源插头附近,也不要将光纤分散在空气中,因为光纤在与电子设备接触时会导致电气短缺。
  6. 拉直绿色金属丝的金属部分并小心地将其插入阳极,如图3所示。确保电线笔直地插入并且不会在阳极的顶部或底部突出。
将绿线插入微生物燃料电池的阳极。
图3. 将绿线的金属部分插入阳极圈。

  1. 使用阴极(较厚的黑色毛毡状圆圈)和橙色电线(比绿色电线短)重复步骤6和7。
  2. 取出您在步骤2中制备的泥土,并用它填充第一个MFC容器(随套件一起提供),直到塑料容器上”1″ 旁边的线(标记1厘米[cm]) )。填充后,轻拍泥浆,使其表面光滑。
    1. 提示:您可能希望用旧报纸覆盖您正在处理的表面,以防止泥浆进入。
    2. 完成后,将手套上的泥浆冲洗干净(但不要将它们取下)。
  3. 将阳极放在容器中的泥浆顶部,如图4所示。
    1. 来自阳极的绿线应该粘在上面。绿线应该被困在泥里。
    2. 轻轻地将阳极压在泥浆上,使阳极下方没有气泡.注意:去除气泡很重要,因为被困氧气可以防止厌氧细菌生物膜的形成,并降低微生物燃料电池的功率输出。
添加到微生物燃料电池的阳极。
图4. 将阳极放在1厘米泥浆的顶部。

  1. 使用更多的泥土填充容器,直到”5″ 标记旁边的线(标记5厘米)。填充后,再次轻拍泥浆,使其表面光滑。
    1. 沿着容器的侧面运行绿线。
    2. 从手套上冲洗干净并擦干。
  2. 将阴极轻轻放在泥浆顶部,尽可能将其压平,如图5所示。
    1. 阴极的橙色线应从顶部伸出。
    2. 不要让任何泥浆或液体覆盖阴极顶部。
    3. 最好安排阴极,使其橙色线位于绿线左侧1-2厘米处。
    4. 让泥浆在容器中静置几分钟。然后小心地倒掉多余的液体。
添加阴极和阳极的微生物燃料电池充满泥浆。
图5. 将阴极添加到5厘米泥浆的顶部。

  1. 用干净的纸巾或抹布擦去容器边缘的泥浆。然后摘下手套。
  2. 取下白色塑料盖,将电线穿过盖子上的小孔。安排电线,使橙色电线在左侧,当盖子上的半圆形凹口朝向前方时,绿色电线在右侧。然后小心地将盖子卡在塑料容器上。
  3. 取出黑客主板(小绿色电路)。将其连接到盖子的矩形凹口中.
  4. 找到黑客板上的”+” 和” – ” 端口(即孔)。将阴极导线(橙色)插入”+” 端口,将阳极导线(绿色)插入” – ” 端口。
  5. 找到黑客板上的端口1和2。将蓝色电容器(带有两个较长金属插脚的小圆柱形物品)插入这些端口。蓝色电容器的较长插脚应进入端口1,较短的插脚应插入端口2. 注意:电容器的方向很重要。如果您反转短叉和长叉,它将无法工作,甚至可能损坏电容器。您可能需要稍微弯曲电容器的较长端,以便电容器的插脚很好地适合端口。
  6. 将电容器下方的红色LED插入端口5和6.(端口3和4将保持为空。)LED的较长插脚应进入端口5,较短的插脚应插入端口6. 重要: LED仅在以此方向插入时才起作用。如果您不小心翻转插脚,LED指示灯将不会亮起。您可能需要稍微弯曲LED的较长端,以便LED的插脚很好地适合端口。
  7. 确保电线,电容器和LED都安全到位。现在,MFC顶部的组装黑客板应该如图6所示。
完全组装的微生物燃料电池顶部的特写镜头。
图6。完成MFC及其黑客板的组装后,顶部应该与此图像中的顶部类似。

  1. 组装第一台MFC后,使用步骤2中剩余的预制土壤建立第二个微生物燃料电池。
  2. 一旦组装了两个微生物燃料电池,将MFC放置在室内,正常室温(约19-25摄氏度[C]或66-77°F [F]),在它们不会的地方不安.MFC应该在您设置后的整个时间内保持在同一位置,因为如果它们被移动,这可能会破坏细菌的生长。在黑客电路板上的红色LED开始闪烁之前大约需要3-7天,但在此之前您将开始进行测量,如下一节所述.注意:由于不同的细菌活动,温度变化会导致微生物燃料电池的功率输出发生变化。
  3. 现在您可以使用平板计数法开始进行初始细菌计数。为此,戴上手套,将杯子放在步骤2.e中准备的预留表土上。并继续如下。
    1. 准备三个迷你杯进行连续稀释,并标记10 -2 ,10 -4 和10 -6 .注意:1克土壤含有数百万甚至数万亿的个体细菌。因为这些是不可能计算的,所以你会对你的土壤进行一系列稀释,以便在每个平板上获得少量菌落。
      1. 用酒精擦拭您正在使用的区域。
      2. 将金属汤匙浸泡在酒精中,甩掉多余的酒精,然后将其放入火焰(蜡烛或燃气灶)中,对金属汤匙进行消毒。等到勺子上的火焰烧坏,让勺子冷却下来。同时,将外用药物浸泡在外用酒精中,然后吸吮并多次排出新鲜的外用酒精,对药物滴管进行消毒。在使用前等待它们完全干燥。
      3. 在每个杯子中​​加入49.5 mL蒸馏水。您可以使用数字刻度盘将杯子装满水,直到它们重达49.5克。
      4. 称取0.5 g准备好的土壤,并将其加入到10 -2 的杯子中。用灭菌勺搅拌混合物。
      5. 吸取半个土壤水混合物的滴管,并将其加入到10 -4 的杯子中。用消毒勺混合。
      6. 使用相同的滴管,从10 -4 杯中取出一半装满新混合物的滴管,并将其加入10 -6 杯中。用灭菌勺搅拌溶液。
    2. 取两片营养琼脂平板,用日期,样品体积和稀释倍数标记平板底部。您将用10 -4 稀释液和0.5 mL 10 -6 稀释液浸泡半滴剂。
      1. 将0.5mL 10 -4 稀释液移液到营养琼脂平板的表面上。用无菌棉签将液体涂在琼脂表面上,直至其浸入琼脂中,表面大部分干燥。然后关上盘子的盖子。
      2. 使用第二个无菌药滴管和第二个板用0.5毫升10 -6 稀释液重复接种。
      3. 将所有稀释杯以及其余土壤保存在冷却器或冰箱中,直至进行平板计数。确保所有杯子都有清晰的标签并远离食物.
    3. 在温暖的地方将板倒置孵育24-48小时。确保在整个实验过程中保持所有培养板的孵育时间相同。
    4. 孵育后,计算两个平板上的菌落数,并记录实验室笔记本中的数字。您在盘子上发现的细菌数量取决于您选择的土壤。一个例子如图7所示。注意:只计算其上有25到250个菌落的平板。如果两个平板上的菌落少于25个或超过250个,则需要从不同的稀释液中重新平板(取决于您的结果,这可能是10 -3 ,10 -5 ,或10 -7 )。您可以使用剩余的土壤或准备好的稀释液(10 -2 ,10 -4 和10 -6 )保存在冰箱中/冷却器进行其他稀释.
细菌板
图7. 计算每个营养琼脂平板上的细菌菌落数。

测量功率输出和添加糖

您将每天测量两个微生物燃料电池的功率输出。一旦功率输出似乎已稳定,您将向其中一个微生物燃料电池添加少量糖,并使用另一个作为对照。糖应该改变MFC的功率输出。您如何看待MFC的功率输出会受到影响?

  1. 安装微生物燃料电池一天后,检查LED是否闪烁。最有可能的是,他们不会,但请检查以确保。观察LED指示灯2分钟,看它们是否闪烁。
    1. 如果其中一个或两个指示灯闪烁,表示每个指示灯闪烁的时间间隔为多少秒。
      1. 为此,请在LED指示灯闪烁时立即启动秒表,并在LED指示灯再次闪烁时停止秒表。
      2. 如果LED每5秒闪烁的次数超过一次,请不要在闪烁之间计时,而是每秒闪烁一次。计算10秒钟的时间间隔并计算LED在此期间闪烁的次数,然后将其除以10以获得每秒闪烁次数。
      3. 重复步骤1.a.i.或1.a.ii.两次,所以你有三个总数。
      4. 在表1中的数据表中记录实验室笔记本中每个MFC的结果。(如果您计算每秒闪烁,如步骤1.a.ii.,将标题从”闪烁之间的秒数” 更改为”每秒闪烁次数” 。”)计算三个计数的平均值并记录下来。


闪烁之间的秒数
Day Count#1 Count#2 Count#3 Average
1
2
3
表1。每天检查两个MFC以查看LED是否闪烁。如果是,则记录每次闪烁之间经过的秒数(或每秒闪烁次数),进行三次单独计数。在您的实验室笔记本中,将数据表中的每个微生物燃料电池的结果记录下来,就像这样。

  1. 接下来,使用微生物燃料电池套件附带的万用表测量两个MFC的功率输出。您可以观看下面的视频或按照分步说明进行操作。如果您需要使用万用表的帮助,请参阅Science Buddies参考如何使用万用表,以及万用表附带的说明。


    1. 要测量MFC的功率输出,请从黑客板上取下电容和LED。然后从”+” 端口取下橙色电线并将其插入端口3.这意味着橙色电线应位于端口3中,绿色电线仍应位于” – ” 端口,所有其他端口应为空.
    2. 在端口5和6之间放置电阻,如上面的视频所示。对于电阻器,方向无关紧要。
      1. MFC套件中有几个电阻器。从最大容量的电阻开始,这是一个4.7kΩ的电阻.(Ω,大写希腊字母Omega,是 ohms 的符号,用于测量电阻的单位.1千欧,或1kΩ,为1000欧姆。)
      2. 电阻器的值使用颜色编码的带标记。使用图8确定每个电阻的电阻。
        1. 提示:如果需要,您可以使用万用表确认任何电阻的电阻,方法是将其设置为测量电阻(通常为欧姆的”Ω” 符号)并连接万用表的引线。电阻器的导线末端。
         电阻图
        图8. 使用此电阻颜色表确定每个电阻的电阻。

      3. 将电阻器插入电源5分钟。
    3. 将电阻器插入电源5分钟后,使用万用表测量电阻器两端的电压
      1. 确保万用表的黑色电线插入”COM” 端口,红色电线插入万用表的”VΩMA” 端口。
      2. 将万用表设置为测量直流电压。这标记为”V” ,旁边有一条直线。特别是将表盘转到”2000米” 。
      3. 将万用表的红色导线夹在插入端口5的电阻器金属线上。然后将万用表的黑色导线夹在插入端口6的电阻器金属线上,如视频所示。读取万用表的屏幕,查看电压是多少(以毫伏[mV]为单位)。
      4. 如果电压似乎稍微变化 – 例如在几秒钟内略微减小 – 观察万用表上的读数几秒钟直到它们稳定(并保持相同的几秒钟)。使用稳定值。

        1. 如果读数在几秒钟后仍在变化,或者读数为0 mV,请确保所有电线都正确牢固地插入电路(阴极和阳极电线以及电阻器电线),断开连接万用表从电阻器引出,再过5分钟。然后重复步骤2.c。
      5. 在表2中的数据表中记录实验室笔记本中两种微生物燃料电池的结果。


      日期和时间:
      电阻(欧姆)

      电压(mV)

      功率(μW)
      4700
      2200
      1000
      470
      220
      100
      47
      表2。每天在您的实验室笔记本中,为每个微生物燃料电池创建一个这样的数据表来记录您的电压测量值。不要忘记记下开始在顶线进行测量的日期和时间。

    4. 断开万用表夹子与电阻器的连接。取下电阻器。
    5. 重复步骤2.b.-2.d.直到您使用套件中的所有电阻测试了MFC。从电阻值最大的电阻开始,以电阻值最小的电阻结束。
  2. 完成第一个MFC的电压测量后,将电线,电容和LED插回黑客板,如步骤16-18 在设置微生物燃料电池和细菌计数部分,并重复第二个微生物燃料电池的电压扫描(步骤2和3).LI>
  3. 计算每个电阻器和两个微生物燃料电池的功率输出(以微瓦或μW为单位)。您可以使用欧姆定律的推导来计算,如​​简介,等式1所述。
    1. 注意:将电压测量值转换为功率输出测量值非常重要。功率输出取决于您使用的电阻,因此仅通过观察电压测量就无法确定MFC的性能。他们需要被转化为权力才能使他们有意义。
    2. 要使用公式1,您需要将电压读数从毫伏(mV)转换为伏特(V)。为此,将毫伏值除以1000以得到伏特。例如,如果您的电压读数为45 mV,则等于0.045 V。
    3. 使用公式1,您的答案将为瓦特(W)。通过将您的答案乘以1,000,000将瓦特转换为微瓦。
    4. 计算完毕后,记录实验室笔记本中数据表(如表2)中每个电阻的功率。

  4. 确定MFC的峰值功率是什么。
    1. 在两个微生物燃料电池的数据表中,查看使用每个电阻产生的功率。峰值功率是任何电阻产生的最高功率。
    2. 如果您想要对此进行可视化,您可以在图表上绘制当天的数据,将电阻器的电阻设置在x轴(水平轴)上,将电源设置在y轴(垂直轴)上两个MFCs。示例图如图9所示。
      1. 您应该看到一条曲线,峰值功率位于曲线顶部,如示例图所示。

    3. 在实验室笔记本中记下每天MFC的峰值功率,通过在数据表中圈选或突出显示该值。
    4. 虽然在这个科学项目中不会探讨,但您可能想知道峰值功率告诉您MFC的内阻是什么。提供峰值功率的电阻最接近MFC的内部电阻。这可能会随着时间的推移而改变。

使用微生物燃料电池显示电阻与功率的示例图。
图9. 此示例图显示了使用MFC电阻的可能功率输出数据。在此样本中,使用1kΩ电阻发现峰值功率,峰值功率约为45.5μW。

  1. 每天重复步骤1-5,直到看起来两个微生物燃料电池的功率输出(峰值功率)稳定。
    1. 每天在同一时间进行这些测量。这将限制影响结果的变量(例如温度变化)。
    2. 对于步骤1,LED开始闪烁需要3-7天。然而,即使LED永远不会闪烁,你仍然可以做这个科学项目;务必每天继续进行功率输出测量。
      1. 提示:请参阅常见问题解答部分,了解如果LED指示灯不闪烁或闪烁且意外停止时该怎么办闪烁。
    3. 对于步骤2,您应该看到功率输出缓慢增加。
      1. 对于每一天,为实验室笔记本中的每个MFC创建一个类似于表2的数据表,用于记录结果,并使用它们来确定峰值功率。
    4. 大约7-14天后,功率输出应稳定下来。
      1. 它可以稳定在10μW和200μW之间的任何值。很大程度上取决于您使用的表土和其他因素。无论它稳定在哪里,都应该足够的力量至少每30秒闪烁一次LED。
        1. 提示:如果电量输出似乎很低,请参阅常见问题解答部分,了解有关检查和尝试的建议。
      2. 当稳定时,峰值功率连续至少三天不应超过约10%。
        1. 如果您的峰值功率变化稍微超过此值,请不要担心。如果它已经存在至少14天并且当您绘制峰值功率时(如步骤6.d.iii中所述),它看起来像是稳定的(意味着它不是逐渐增加或逐渐减少),然后它可能已经足够稳定了。
        2. 牢记这一点;如果您的峰值功率看起来仍然不稳定,请参阅常见问题解答部分,了解有关检查和尝试的建议。
      3. 提示:在为两个MFC收集数据时制作数据图表可以帮助您查看功率输出是否稳定。如果这样做,请将日期放在x轴上,并将每天的功率输出(峰值功率)放在y轴上。峰值功率似乎在稳定吗?
      4. LED闪烁之间的时间也应该稳定。

  2. 一旦看起来两个MFC中的功率输出稳定,小心地打开两个微生物燃料电池并将糖溶液添加到标有”糖处理” 的溶液中,并将蒸馏水添加到标记为”对照” 的溶液中。
    1. 在开始治疗之前,像往常一样进行当天的测量。
    2. 在数字秤上,将0.5克蔗糖(食糖)称入迷你杯中,加入10毫升蒸馏水。与消毒勺混合,完全溶解糖。
    3. 准备另一个迷你杯,仅加入10 mL蒸馏水。
    4. 从黑客板上拔下阳极和阴极,小心地取下第一个微生物燃料电池的盖子,标有”糖处理” 。
    5. 戴上手套,轻轻抬起阴极,注意阴极顶部不要弄泥。
      1. 安全注意事项:请记住,MFC的电极由称为石墨纤维的导电材料制成。不要将阴极放在电子设备或电源插头附近,也不要将光纤分散在空气中,因为光纤在与电子设备接触时会导致电气短缺。
    6. 取一个消毒的勺子,用它挖到土壤的顶部1-2厘米。小心不要一直向下挖到阳极,因为这会扰乱阳极生物膜。将约1茶匙土壤舀入新鲜的迷你杯中,标记时间,日期和微生物燃料电池类型(糖处理或对照)以计数菌盘数。
    7. 取完土壤样本后,使用新鲜消毒的药物滴管从杯子中吸取一些糖溶液,将其涂抹在泥浆上,混入,然后在泥浆内部挖掘,加入所有然后将糖溶液搅拌均匀。您希望尽可能将糖均匀地混合到泥浆中,但是不要打扰阳极 – 将其保持在原位(以及其电线和阳极下方的泥浆)。
      1. 注意:破坏阳极会损坏正在发育的生物膜并干扰您的结果。
    8. 等待5分钟让糖稍微浸入泥中.(如果你立即将阴极放回泥浆上,阴极可能会吸收大部分糖溶液)。在重新组装MFC之前,再用勺子将泥浆表面弄平。
    9. 然后按照”设置微生物燃料电池和细菌计数” 部分的说明,将MFC完全按照它们放在一起进行组装,以确保电线正确连接在一起并且所有部件都重新连接到黑客电路板正确。
      1. 具体来说,这将遵循上一节中的步骤16-18
      2. 阴极顶部不要弄泥。如果这样做,请小心擦拭,小心不要将其研磨成阴极。
    10. 用”对照” 微生物燃料电池重复步骤7,但这次加入10毫升不含糖的蒸馏水。

  3. 步骤22 设置微生物燃料电池和细菌计数部分。
    1. 注意:请记住,根据您以前的细菌数量,您必须调整在营养琼脂平板上放置的稀释液。在这个步骤中,您可能不需要填充10 -4 稀释液,而是0.5 mL的10 -6 和10 -7 (或甚至高达10 -10 )稀释。
    2. 再次,将土壤和稀释液保存在冰箱中,直到你计算出细菌,以防你的菌落太少或太多,需要重新培养。
  4. 在加糖后的第二天开始,每天重复步骤1-5继续监测两个微生物燃料电池的功率输出,直到看起来两个微生物燃料电池的功率输出(峰值功率)再次稳定(如步骤6中所述)。在稳定后不久,功率输出可能会再次明显改变。
    1. 每天在同一时间进行这些测量。
    2. 对于每一天,对于每个MFC,在实验室笔记本中制作一个类似于表2的数据表,用于记录结果,并使用它们来确定峰值功率.注意:用于确定峰值功率的电阻可能会略有变化。如果发生这种情况,请在实验室笔记本中记下这一点。
    3. 根据您实验的确切条件 – 可能受您使用的土壤影响 – 在添加蔗糖后,功率输出可能需要几天到一周以上才能稳定。
      1. 当功率输出稳定时,峰值功率连续至少三天的变化可能不会超过约10%。当”稳定” 时功率变化多少可取决于MFC产生的功率量。
      2. 总体而言,如果加糖后约两周,并且峰值功率至少在最后一周没有稳定下降或增加,那么它可能已经足够稳定了。
      3. 稳定后,功率输出可能会再次明显改变(每天稳定下降或增加)。
      4. 提示:在为每个MFC收集数据时制作数据图表可以帮助您查看功率输出是否稳定。如果这样做,请将日期放在x轴上,将功率输出(峰值功率)放在y轴上。峰值功率似乎在稳定吗?
      5. LED闪烁之间的时间也应该稳定。
  5. 一旦两个微生物燃料电池的功率输出稳定后,在步骤22 ” 设置微生物燃料电池和细菌计数”上面的部分。
    1. 注意:请记住,根据您以前的细菌数量,您必须调整在营养琼脂平板上放置的稀释液。在这个步骤中,您可能不需要填充10 -4 稀释液,而是0.5 mL的10 -6 和10 -7 (或甚至高达10 -10 )稀释。
    2. 再次,将土壤和稀释液保存在冰箱/冷却器中,直到你计算出细菌数量,以防你的菌落太少或太多,需要重新铺板​​。

分析您的结果和持续探索

  1. 为每个微生物燃料电池制作两个数据图,一个显示功率输出随时间变化的情况,另一个显示LED闪烁频率随时间的变化情况。
    1. 对于显示功率输出随时间变化的图表,请设置在x轴上设置MFC后的天数和y轴上的峰值功率输出(以μW为单位)。
    2. 对于显示LED频率随时间闪烁的图表,请设置在x轴上设置MFC后的天数以及y轴上每秒闪烁的天数。
      1. 如果您在数据表中记录了闪烁之间的时间,则通过获取每天收集的闪烁之间的平均秒数数据并将此值除以1来计算,将其转换为每秒闪烁次数。例如,如果你的LED平均每15秒闪烁一次,1除以15是0.067,这是它每秒闪烁的次数。
  2. 分析您的图表。
    1. 添加糖后LED的功率输出和频率发生了什么变化?功率输出是增加还是减少?改变有多大?功率输出与控制MFC相比如何?
    2. 添加蔗糖后测量的稳定速度有多快?在加糖之前,当它们稳定下来时,它们是否比原来更高或更低?它们是高于还是低于控制MFC的功率输出?
    3. 每个MFC的功率输出和闪烁频率何时最高?他们此时的峰值力量是多少?
    4. 根据您的结果,您认为使用糖作为底物来帮助发电是否可行?为什么或为什么不呢?

  3. 查看您在处理过的微生物燃料电池和对照中每个时间点计算的细菌菌落数。使用公式2计算1 g土壤中的细菌数量。

    公式2:

    您可以在条形图中绘制细菌数量,显示x轴上的时间(初始,治疗前后)和两个MFC上y轴上的细菌数量。细菌数量是否随着时间的推移而增加,保持稳定或减少?与对照相比,添加糖是否会改变细菌数量?

  4. 在您的实验的这一点上,有几种方法可以继续您的探索。查看变体部分,了解一些想法。

如果你喜欢这个项目,你可能会喜欢探索这些相关的职业:

微生物学家

微生物(细菌,病毒,藻类和真菌)是地球上最常见的生命形式。它们帮助我们消化营养;制作酸奶,面包和橄榄等食物;并制造抗生素。一些微生物也会引起疾病。微生物学家研究微生物的生长,结构,发育和一般特征,以促进健康,工业和对细胞功能的基本了解。了解更多

环境科学家

您是否注意到对于患有哮喘的人来说,在繁忙的城市中间呼吸时有时会特别困难?其中一个原因是车辆排气。汽车,公共汽车和摩托车会增加空气污染,影响我们的健康。但污染对我们的健康影响更大吗?砍伐树木或砍伐森林可能会造成侵蚀,从而带走有价值的表土。但侵蚀的变化可能超过土壤的条件吗?石油泄漏如何危害鱼类和水生植物?一群动物如何与其环境相互作用?这些是环境科学家研究并试图找到答案的问题。他们进行研究或进行调查,以识别和消除破坏环境或人类和动物健康的污染源或危害源。环境科学家是我们环境的管家,并致力于为子孙后代保护其安全。了解更多

燃料电池工程师

世界上大部分能源来自化石燃料。然而,化石燃料的数量是有限的,许多人担心我们的能源将来会来自哪里。我们可以转向替代的可再生燃料来源,例如我们的太阳能(太阳能)和风能(风能)。但是当太阳没有发光或者风不吹时会发生什么?我们会被卡住吗?嗯,这就是燃料电池的用武之地。燃料电池是一种电化学装置,它通过燃料(如氢气)和氧化剂(如氧气)之间的反应发电。除水或水蒸气外,该反应产生的温室气体排放很少。燃料电池工程师的工作是设计新的燃料电池技术,以提高燃料电池的可靠性,功能性和效率。你喜欢用你的数学和科学技能来研究人类未来的能源需求吗?然后开始”助长你的未来” ,并阅读更多有关这个职业的信息。了解更多

Electrical&amp;电子工程师

正如陶工形成粘土,或钢铁工人模塑钢水,电气和电子工程师收集和塑造电力并用它来制造传输电力或传输信息的产品。电气和电子工程师可能专注于数百万制造或使用电力的产品之一,如手机,电动机,微波炉,医疗仪器,航空导航系统或掌上游戏。了解更多



变体形式

注意:在开始新实验之前,请仔细清洁微生物燃料电池。我们建议使用自来水冲洗电极,同时轻轻揉搓(戴上手套),直到脏水流畅。也用自来水彻底冲洗容器。有关详细信息,请参阅常见问题解答

  • 在这个科学项目中,您测试了加糖(蔗糖)如何影响MFC的功率输出。其他食物来源会产生类似的结果,如果加入更多的蔗糖会发生什么?那些其他的糖,如葡萄糖,或无机底物,如碳酸盐或硝酸盐?您可以通过以废物形式喂养无机和有机基质细菌来改变功率输出吗?想想堆肥,牛粪甚至小便等例子(参见Science Buddies science项目)<! - pee - > 由Pee提供技术支持:在微生物燃料电池中使用尿液更多细节.提示:您可能想要了解土壤细菌(在​​简介中讨论过)喜欢吃什么以及它们茁壮成长的环境。
  • 添加食物来源是提高微生物燃料电池功率输出的唯一途径吗?如何更改其他因素会影响MFC的功率输出?调查其他参数,如温度或土壤电导率和土壤湿度。为这个因素改变时你认为会发生的事情制定一个合理的假设,并创造一种测试方法。什么因素对电力输出影响最大?如果您的MFC产生的功率介于80μW和199μW之间,那么它的功能非常好,如果它产生的功率为200μW或更高,那么它的效果非常好!研究土壤电导率的一个例子在Science Buddies science项目中给出<! - salt - > 为微生物燃料电池增添动力用短暂的盐
  • 您认为您是否计算了土壤中存在的所有细菌,或者您是否错过了其中的一些细菌?科学中的常见说法是:”你只能得到你想要的东西。” 想想在这个实验中你正在寻找什么类型的细菌,并考虑所有细菌是否可以在测试条件下生长。那么致电细菌呢? Shewanella细菌可以是需氧的[它们需要氧气]或厌氧[它们在没有氧气的情况下生长],并且 Geobacter 细菌是厌氧的,这意味着它们仅在没有氧存在的情况下生长。知道这一点,您认为您能够在实验中统计所有 Shewanella Geobacter 吗?如果没有,你可以做些什么来改善生根细菌的生长?您认为琼脂平板的无氧孵化会产生影响吗?做一些研究,找出一种方法来优化培养条件,以便更好地计算Shewanella 和 Geobacter 数字。
  • 不同的表土在MFC中的效果如何?尝试从不同的位置收集一些不同类型的土壤(例如从一个院子或公园与溪流的底部相比),或购买不同的土壤。想想不同土壤的区别以及它如何影响MFC功率输出。在一段时间内一次测试两种不同的土壤。哪种土壤最好,导致MFC产生最大的功率?哪个土壤最差?哪种土壤含有最多的细菌,底物或营养素?如果多个土壤运作良好,它们有什么共同之处?您认为哪些因素有助于使MFC的土壤”好” 或”坏” ?查看Science Buddies科学项目<! - 土壤 - >使用微生物燃料电池将泥浆转化为能源更多细节.注意:如果使用含有珍珠岩,泡沫球或蛭石块的土壤,在使用土壤之前将这些颗粒挤出,因为它们可能会损坏MFC或严重抑制细菌生长。