微生物燃料電池陽極系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展

張 玲,彭蜀君,葉路生,毛翔洲,謝 晴,但德忠

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065）

1 引 言

目前，世界上許多國家都面臨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的嚴(yán)峻問題，人類的生存與發(fā)展受到了威脅。在“可持續(xù)發(fā)展”的倡導(dǎo)下，新能源和可持續(xù)能源的研究和開發(fā)成為當(dāng)今世界解決這兩大危機(jī)的重要途徑。在此背景下，微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells，MFC）作為一種新型清潔能源，受到各國的廣泛關(guān)注。

微生物燃料電池是一種結(jié)合了廢水處理和生物產(chǎn)電的新技術(shù)，能在微生物降解有機(jī)廢物的同時產(chǎn)生電能，且不排放污染物。與其他燃料電池相比，MFC具有獨特的優(yōu)點，如原料來源廣泛、反應(yīng)條件溫和、生物相容性好[1]。目前，針對MFC結(jié)構(gòu)、電極材料、運(yùn)行條件、產(chǎn)電機(jī)理等各方面展開了研究[2-3]，尤其是在對產(chǎn)電起主導(dǎo)作用的陽極系統(tǒng)方面取得了一些突破性進(jìn)展。隨著研究的深入，MFC作為污水處理理念的重大革新，既凈化了污水又獲得了能量，在未來的環(huán)境保護(hù)和資源化方面將發(fā)揮不可估量的作用。

2 MFC工作原理

MFC是利用不同的碳水化合物和廢水中的各種物質(zhì)，通過微生物作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，把呼吸作用產(chǎn)生的電子傳輸?shù)郊?xì)胞膜上，然后電子從細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移到電池陽極，經(jīng)外電路，陽極上的電子到達(dá)陰極，產(chǎn)生外電流；同時將產(chǎn)生的氫離子通過質(zhì)子交換膜（PEM）傳遞到陰極室，在陰極和電子、氧反應(yīng)生成水，實現(xiàn)電池內(nèi)電荷的傳遞，從而完成整個生物電化學(xué)過程和能量轉(zhuǎn)化過程[4]，見圖1。

根據(jù)產(chǎn)電原理的不同，MFC分為3種類型：（1）氫MFC，將制氫和發(fā)電結(jié)合在一起，利用微生物從有機(jī)物中產(chǎn)氫，同時通過涂有化學(xué)催化劑的電極氧化氫氣發(fā)電；（2）光能自養(yǎng)MFC，利用藻青菌或其他感光微生物的光合作用直接將光能轉(zhuǎn)化為電能；（3）化能異養(yǎng)MFC，利用厭氧或兼氧性微生物從有機(jī)燃料中提取電子并轉(zhuǎn)移到電極上，實現(xiàn)電力輸出，這是目前研究最多的MFC。

圖1 微生物燃料電池工作原理

3 電子傳遞途徑

MFC利用有機(jī)物產(chǎn)電的整個過程中，起決定作用的是電子在陽極區(qū)的傳遞。此過程中，細(xì)胞內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移是利用微生物氧化代謝中的呼吸鏈，使電子經(jīng)NADH脫氫酶、輔酶Q、泛醌、細(xì)胞色素等，或者微生物膜表面的氫化酶轉(zhuǎn)移出細(xì)胞。然后，在細(xì)胞外的電子還必須通過與膜關(guān)聯(lián)物質(zhì)，或者可溶性氧化還原介體轉(zhuǎn)移到電極上。

MFC中微生物傳遞電子到陽極有兩種方法：（1）利用外源電子中介體，如鐵氰化鉀、硫堇、中性紅等；（2）利用細(xì)菌自身產(chǎn)生的中介體將電子傳遞給陽極。細(xì)菌還可產(chǎn)生納米導(dǎo)線直接將電子傳遞給電極。

4 MFC陽極特性

陽極直接參與氧化反應(yīng)，吸附在電極表面的細(xì)菌密度對產(chǎn)電量起主要作用，所以陽極材料和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可優(yōu)化MFC的性能。雖然很多材料可以作陽極，但目前主要是以碳為基材包括碳紙、碳布、石墨片（棒）、碳?xì)趾团菽谱鳌?/p>

4.1 陽極內(nèi)阻與表面積

兩室型MFC中，利用極化曲線測得的陽極內(nèi)阻包括活化內(nèi)阻、濃差內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻3部分。由微生物代謝及電子傳遞引起活化阻力的差異是引起陽極內(nèi)阻差異的主要因素[5]。在接種混合菌時，陽極材質(zhì)和形式均可影響附著微生物的種類和生物量，進(jìn)而影響活化阻力的大小。微生物活性越高，參與反應(yīng)的數(shù)量越大，反應(yīng)阻力越小，從而陽極內(nèi)阻越小。當(dāng)陽極溶液穿過多孔電極時，電池的產(chǎn)電性能會大幅度提高，原因是多孔電極減小了溶液穿過電極內(nèi)部孔隙的傳質(zhì)阻力，使微生物可更有效地在內(nèi)部孔隙中附著，相當(dāng)于增大了表面積，從而提高了輸出功率?？梢?，陽極內(nèi)阻的大小取決于陽極產(chǎn)電微生物的數(shù)量，而生物量又取決于陽極實際用于附著微生物的面積。

對于多孔電極，有效孔體積和孔徑分布共同影響著微生物的實際附著面積，在相同孔徑下，有效孔體積越大，能提供給微生物的附著面積就越大；而適當(dāng)增大孔徑則可減小電極內(nèi)部的傳質(zhì)阻力，同樣也可增大微生物的附著面積。對于非多孔電極，粗糙的表面具有較強(qiáng)的吸附性，可加快微生物的附著速度，并且粗糙的表面亦具有相對較大的表面積，也提高了電極的產(chǎn)電性能[5]。

4.2 表面電位

MFC接種混合污泥后，要經(jīng)過一個啟動期，產(chǎn)電才能達(dá)到穩(wěn)定。陽極表面電位的變化反映了陽極上產(chǎn)電微生物數(shù)量和活性的變化。以無介體產(chǎn)電微生物為例，微生物將陽極作為電子受體，其分解有機(jī)物產(chǎn)生的電子通過細(xì)胞色素或纖毛直接傳遞到陽極，從而利用這一過程中電子釋放的能量作為自身生長的需要。因此，陽極電勢越高，微生物獲得的能量越多，生長越快。

黃霞等[6]發(fā)現(xiàn)，陽極電位越低，其上附著的生物量越多。當(dāng)表面電位高時，微生物的附著速度反而變慢，這說明微生物在電極上的附著生長并非主要依靠靜電吸引作用。由于產(chǎn)電微生物正常生活環(huán)境的電勢為-300～-400mV，因此較低的表面電位更有利于產(chǎn)電微生物的附著和生長。

研究表明，陽極的表面電位與膜生物量有很大的相關(guān)性，過高或過低的陽極電位都會對掛膜量產(chǎn)生不利影響，但對電位具體的高低和生物量的大小目前并沒有定量的認(rèn)識，往往通過附加電路設(shè)置不同的陽極初始電勢觀察掛膜情況和產(chǎn)電情況來尋找合理的陽極電位[6]。值得注意的是，不同環(huán)境中存在的混菌群落大不一樣，而每種菌對電位的要求也不相同，這之間并無一一對應(yīng)關(guān)系。

4.3 陽極材料的修飾

目前的陽極材料主要以常規(guī)碳素材料為主，而對已有電極材料的修飾和新型電極材料的開發(fā)力度還不夠，因此功率問題一直是影響MFC發(fā)展的瓶頸。

高性能陽極應(yīng)主要具備兩個特征：（1）良好的生物相容性，易于產(chǎn)電微生物附著，易于電子在微生物和陽極間傳遞；（2）陽極內(nèi)部電阻小，導(dǎo)電性強(qiáng)，陽極電勢穩(wěn)定。

Morozan等[7]發(fā)現(xiàn)，碳納米管和產(chǎn)電微生物具有很高的生物相容性。梁鵬等[8]以碳納米管、活性炭及柔性石墨作陽極材料，測定其表面特性、產(chǎn)電性能和功率密度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以碳納米管作陽極時功率密度最大（402 mW/m2），同時內(nèi)阻也最小。黃素德等[5]以銅、鋁、鐵等金屬作陽極，發(fā)現(xiàn)這些金屬電極性能優(yōu)越，生物吸附性好且成本低廉，利于推廣。然而，大多導(dǎo)電性好的金屬多為活潑金屬，需對電極表面進(jìn)行相關(guān)化學(xué)處理，故可考慮將金屬氧化成其對應(yīng)的導(dǎo)電性能優(yōu)良的金屬氧化物，或?qū)⒒顫娊饘倩蚱溲趸锓稚⒐梯d于如碳質(zhì)、導(dǎo)電聚合物等載體上，制成催化劑修飾電極。此外，一些非金屬修飾陽極（如導(dǎo)電聚合物），亦具有良好的電化學(xué)性能和機(jī)械性能。

總之，對MFC陽極的修飾，需找兼具有生物催化性和生物相容性的材料，并將其與普通電極材料進(jìn)行固定。MFC高性能陽極材料的研究，將有效提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能，是促進(jìn)微生物細(xì)胞內(nèi)電子向電極表面轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵。

5 陽極產(chǎn)電微生物的種類

產(chǎn)電微生物從早期的介體型細(xì)菌到無介體型細(xì)菌，再到最近的自介體型細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)，表明產(chǎn)電微生物的種類較分散，來源較廣泛，大致來自于細(xì)菌域的3個分支，即變形菌、酸桿菌和厚壁菌[9]。

5.1 大腸桿菌（Escherichia Coli）

大腸桿菌電化學(xué)活性很低，需富集純培養(yǎng)，其純菌種產(chǎn)電的性向單一明了，代謝產(chǎn)生的電子需外源中間體的參與才能傳遞到電極表面。該類細(xì)菌在厭氧條件下均能發(fā)酵產(chǎn)氫[10]，主要集中于電子傳遞過程中化學(xué)介體的選擇和菌體-介體組合的研究。此類菌還包括枯草桿菌（Bacillus）、變形菌（Proteus）和脫硫孤菌（Desulfovibrio Desulfuricas）等。

5.2 地桿菌科（Geobacteraceae）

有很好的遺傳背景，屬δ-proteobacteria。以G.Sulferreducens為例[11]，在有機(jī)物降解過程中，可以只用電極作電子受體而完全氧化電子供體；在無氧化還原介體的情況下，可以定量轉(zhuǎn)移電子給電極。這種電子傳遞歸功于吸附在電極上的大量細(xì)胞。由于G.Sulfurreducens的全基因組序列的測序已經(jīng)完成，所以目前基本都是以G.Sulfurreducens為模式菌進(jìn)行MFC的研究[10-11]。該類菌還包括G.metallireducens，G.Psychrophilus，Desulfuromonas Acetoxidans與 Geop Sychrobacter Electrodiphilus等。

5.3 腐敗希瓦氏菌（Shewanella Putrefaciens）

希瓦氏菌由于其呼吸類型的多樣性而得到廣泛研究應(yīng)用。Kim等[12]采用循環(huán)伏安法研究S.Putrefaciens MR-1、S.Putrefaciens IR21和SR221的電化學(xué)活性，分別以這幾種細(xì)菌為催化劑、乳酸鹽為燃料的微生物燃料電池，發(fā)現(xiàn)不用氧化還原介體，直接加入燃料后，電池的電勢都有明顯提高，說明該類細(xì)菌是通過細(xì)胞膜直接傳遞電子的。

5.4 紅螺菌（Rhodoferax Ferrireducens）

紅螺菌是一種氧化鐵還原微生物，相比其他產(chǎn)電菌，其最重要的優(yōu)勢就是它能將糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能，并能完全氧化葡萄糖。鐵還原紅螺菌將糖類轉(zhuǎn)化為電能的效率高達(dá)80%以上[13]，是一種高效的產(chǎn)電菌，這將大大推動微生物燃料電池的實用進(jìn)程。

除上述幾類細(xì)菌外，丁酸梭菌[14]、糞產(chǎn)堿菌、鶉雞腸球菌和銅綠假單胞菌等[15]也有產(chǎn)電能力。

總之，目前了解的比較高效的產(chǎn)電微生物主要集中于固體金屬氧化物還原菌（屬變形菌，革蘭氏陰性），這部分細(xì)菌的自然生長條件與微生物燃料電池的條件類似，電子傳遞方式也有共同之處。最新研究發(fā)現(xiàn)，一些低G+C革蘭氏陽性細(xì)菌也能產(chǎn)電，它們能降解有機(jī)物，發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)酸產(chǎn)氣，但不能直接分解糖類，其能量來源是氨基酸代謝和呼吸[13]。但由于革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁厚度遠(yuǎn)大于陰性菌，故電子穿過細(xì)胞壁的傳遞效率并不理想，因此其產(chǎn)電能力相對較弱。該類細(xì)菌以酸桿菌門、彎曲桿菌和螺桿菌科為主。

6 陽極生物膜的馴化方式

MFC運(yùn)行初期往往要經(jīng)歷一段時間的啟動，這是陽極生物催化的遲滯期，又稱適應(yīng)期，是由于微生物本身對環(huán)境的適應(yīng)引起的。適應(yīng)期內(nèi)細(xì)菌不會立即繁殖生長，此階段內(nèi)微生物會產(chǎn)生適應(yīng)酶，當(dāng)適應(yīng)環(huán)境后，微生物才進(jìn)入加速生長期。目前MFC的啟動時間大多都在100～300 h左右，這并不利于MFC產(chǎn)電效能的發(fā)揮。

MFC達(dá)到穩(wěn)定電流平臺的時間是微生物吸附在電極上逐漸形成成熟生物膜所需的時間，電流的大小受生物膜的影響。目前報道的細(xì)菌生物膜馴化法主要是針對無介體型產(chǎn)電微生物，而馴化的詳細(xì)操作過程卻鮮見報道。

Eun Jeong Cho等[16]利用系列轉(zhuǎn)接法（Serial Transfer）對無介體型產(chǎn)電微生物進(jìn)行了馴化，在液體培養(yǎng)基內(nèi)加入燃料及電子受體，利用稀釋法對稀釋獲得的菌懸液厭氧培養(yǎng)。該法操作簡單，能提高微生物的厭氧適應(yīng)性，但對其電催化活性能力的提高非常有限。郗名悅等[17]嘗試?yán)么朔Z化介體型產(chǎn)電微生物E.coli，發(fā)現(xiàn)該法會造成培養(yǎng)液內(nèi)出現(xiàn)墨綠色沉淀（添加電子介體新亞甲基藍(lán)所致），不利于介體型生物膜的馴化。Rabaey[15]采用多次刮移生物膜法（Scrap off the Biofilm）對混合產(chǎn)電菌（污泥、廢水）馴化，效果顯著，但缺點是馴化次數(shù)多達(dá)7次，時間長達(dá)63d。

通常的多次刮膜操作會造成膜電化學(xué)活性的損失并延長膜再成熟的時間。采用在線馴化法[17]，通過MFC伏安曲線判斷生物膜的成熟，當(dāng)MFC電流值達(dá)到恒定的最大值（Imax）即表示電極上成熟生物膜已形成。該法在判斷上更可靠并省去了繁瑣的刮膜操作，為馴化方式的改進(jìn)提供了參考。

此外，通過選擇適合的菌種進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng)，使之在生物膜中建立起互利共生關(guān)系，能促進(jìn)縮短掛膜時間，同時有較高的功率輸出[18]。Rabaey等[9]利用Geobacteraceae Desulfuromonaceae、Alteromonadaceae、Enterobacteriaceae、Pasteurellaceae、Clostridiaceae、Aeromonadaceae和Comamonadaceae等菌屬所構(gòu)成的菌群進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng)，最終得到的電流密度是單菌培養(yǎng)的6倍。

采用獨立馴化和在線馴化相結(jié)合的新穎方式，以碳?xì)?、碳布和碳紙為陽極掛膜材料，考察馴化方式和陽極材料對無介體MFC產(chǎn)電性能和有機(jī)物去除效果的影響。結(jié)果表明，獨立馴化期陽極材料特性對微生物掛膜的影響較大，掃描電鏡結(jié)果表明掛膜效果最好的是碳?xì)郑疾即沃?，碳紙較差；在線馴化約10h后，微生物催化劑的電化學(xué)活性顯著升高，第2個周期電壓達(dá)到峰值（碳?xì)帧⑻疾?、碳紙，峰電壓分別為0.803V，0.604V和0.574V），第3個周期MFC能長時間穩(wěn)定運(yùn)行。其中碳?xì)諱FC電壓平臺維持在0.78V左右長達(dá)180 h；比較MFCs的產(chǎn)電能力優(yōu)劣順序為：碳?xì)郑? 339.6 mW/m3）＞碳紙（96.8 mW/m3）＞碳布（80 mW/m3），COD 去除率為：碳?xì)郑?9.5%）＞碳紙（79%）＞碳布（74.7%）。該法無須刮移生物膜，操作簡便，陽極產(chǎn)電性能高于文獻(xiàn)報道，利于推廣。

7 問題及展望

7.1 陽極研究中存在的問題

理論上，MFC的能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)90%，而實際應(yīng)用時效能卻一般。原因主要有以下5個方面：（1）氧氣向陽極室的擴(kuò)散，使得部分有機(jī)質(zhì)在陽極室內(nèi)直接將電子傳遞給氧氣，使厭氧微生物生長受到抑制；（2）污水原水中通常都含有替代性電子受體如硝酸鹽、硫酸鹽和鐵鹽等，使陽極室內(nèi)電子傳遞路徑受到干擾；（3）若用混菌接種，細(xì)菌之間的競爭生長機(jī)制會造成相互爭奪營養(yǎng)物質(zhì)或其他代謝產(chǎn)物，故接種混菌的種類不宜過多；（4）陽極上產(chǎn)電微生物的馴化不易控制，從數(shù)天、十幾天或幾個月時間不等[9，17]，并在產(chǎn)電過程中伴隨著膜的成熟、脫落與再生，故輸出功率難以長時間保持穩(wěn)定；（5）目前陽極主要為平板式和填料式兩種，前者的缺點是增大陽極面積必須增加反應(yīng)器體積，不利于電池的微型化開發(fā)，而后者雖能增大微生物附著的表面積，但就單位表面的微生物產(chǎn)電來看，兩者的產(chǎn)電性能沒有顯著的差異。

7.2 展望

7.2.1 陽極材料的研究

除試圖增大微生物的附著面積、提高附著量外，還應(yīng)通過在電極表面進(jìn)行金屬納米粒子、碳納米管等物質(zhì)的修飾，利用納米材料的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等特性來實現(xiàn)生物膜的附著和直接快速的電子傳遞[8]。提高陽極性能另一個關(guān)鍵是能接收到數(shù)量更多、更穩(wěn)定的胞外電子，因此能提供更多與細(xì)菌個體匹配的空位也是今后陽極材料選擇與研究的方向。

7.2.2 掛膜方法的研究

對掛膜方法的研究應(yīng)主要側(cè)重于如何縮短產(chǎn)電微生物的馴化時間，增加膜量以及降低內(nèi)阻等方面，這是MFC實用化過程中必須解決的問題。同時，研究混菌共生膜環(huán)境中各種微生物的最適生態(tài)位，將有利于菌種的選擇和培養(yǎng)。

7.2.3 產(chǎn)電微生物的研究

隨著電子傳遞距離的增加，電子傳遞速率呈指數(shù)下降的趨勢。酶分子蛋白質(zhì)的外殼對直接電子傳遞產(chǎn)生了屏蔽作用，引入介體一定程度上可提供有效的電子傳遞通道。然而，該法又增大了電子傳遞距離，其總體的效果還不令人滿意。因此，對高活性微生物的篩選，特別是尋找自身可產(chǎn)生氧化還原介體的微生物以及具有膜結(jié)合電子傳遞化合物質(zhì)的微生物，是未來MFC研究的重點。同時微生物對新環(huán)境的不適應(yīng)常常是陽極極化的原因之一，需進(jìn)一步深入研究在不同電流下電極表面與細(xì)菌表面的微觀結(jié)構(gòu)變化，并開展連續(xù)式無介體微生物燃料電池的研究。

[1] 崔龍濤，左劍惡，范明志.處理城市污水同時生產(chǎn)電能的微生物燃料電池[J].中國沼氣，2006，24（4）：3-6.

[2]孫寓姣，左劍惡，崔龍濤，等.不同廢水基質(zhì)條件下微生物燃料電池中細(xì)菌群落解析[J].中國環(huán)境科學(xué)，2008，28（12）：1068-1073.

[3] 曹效鑫，梁 鵬，黃 霞.“三合一”微生物燃料電池的產(chǎn)電特性研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，26（8）：1252-1257.

[4] Chaudhuri S K，Lovley D R.Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells[J].Nat.Biotechnol.，2003（21）：1229-1232.

[5] 黃素德，劉宜勝，李 偉，等.啤酒酵母菌微生物燃料電池及陽極研究[J].機(jī)電工程，2008，25（8）：35-39.

[6] 黃 霞，范明志，梁 鵬，等.微生物燃料電池陽極特性對產(chǎn)電性能的影響[J].中國給水排水，2007，23（3）：8-13.

[7] Morozan A，Stamatin L，Nastase F，et al.The biocompatibility microorganisms-carbon nanostructures for applications in microbial fuel cells[J].Phys.Stat.Sol.（A），2007，204（6）：1797-1803.

[8] 梁 鵬，范明志，曹效鑫，等.微生物燃料電池表觀內(nèi)阻的構(gòu)成和測量[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28（8）：1894-1898.

[9] Rabaey K，Boon N，Siciliano S D，et al.Biofuel cells select for microbial consortia that self-mediate electron transfer[J].Appl.Environ.Microbiol.，2004，70（9）：5373-5382.

[10]Heyndrickx M，Devos P，Deley J，etal.Hydrogen production ofchemostatfermentation ofclucose by clostridium butyricum and clostridium pasteurianum in ammonium and phosphate limitation[J].Biotechnology Letters，1990，12（10）：731-736.

[11]Bond D R，Lovley D R.Electricity production by geobacter sulfurreducens attached to electrodes[J].Appl.Environ.Microbiol.，2003（69）：1548-1555.

[12]Kim H J，Park H S，Hyun M S，et al.A mediator-less microbial fuel cell using a metal reducing bacterium，shewanella utrefacien [J]. Enzyme and Microbial Technology，2002，30（2）：145-152.

[13]Park D H，Kim B H，Moore B，et al.Electrode reaction of desulfovibrio desulfuricans modiTed with organic conductive compounds[J].Biotechnology Techniques，1997（11）：145-158.

[14]Park H S，Kim B H，Kim H S，et al.A novel electrochemically active and Fe（Ⅲ）-reducing bacterium phylogenetically related to clostridium butyricum isolated from a microbial fuel cell[J].Anaerobe，2001（7）：297-306.

[15]Rabaey K，Boon N，Siciliano S D，et al.Biofuel cells select for microbial consortia that self-mediate electron transfer[J].Appl.Environ.Microbiol.，2004，70（9）：5373-5382.

[16]Cho E J，Ellington A D.Optimization of t he biological component of a bioelectrochemical cell[J].Bioelectrochemistry，2007，70（1）：165-172.

[17]郗名悅，孫彥平.介體型MFC內(nèi)微生物催化劑的在線馴化[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2008，39（6）：554-557.

[18]Liu H，Logan B E.Electricity generation using an air cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a p roton exchange membrane[J].Environ.Sci.Technol.，2004，38（14）：4040-4046.