微生物燃料電池電化學(xué)和生物技術(shù)研究進(jìn)展

劉春梅， 徐 斌， 劉建新(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽471003)

微生物燃料電池電化學(xué)和生物技術(shù)研究進(jìn)展

劉春梅， 徐 斌， 劉建新
(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽471003)

微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC)是以微生物作為催化劑，將廢水中蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新型生物能源利用技術(shù)。與微生物相關(guān)的生化與電化學(xué)反應(yīng)是決定MFC性能的關(guān)鍵過程。為了探求產(chǎn)電菌的生化與電化學(xué)特性，需采用一定的生物與電化學(xué)技術(shù)進(jìn)行表征。對MFC中電化學(xué)和生物技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，對常用的電化學(xué)方法如極化曲線、循環(huán)伏安法、內(nèi)阻的測量進(jìn)行匯總，對生物技術(shù)手段如生物膜的群落分析、生物量的測量以及細(xì)菌形態(tài)的觀察進(jìn)行論述，對其今后的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

微生物燃料電池；電化學(xué)技術(shù)；生物技術(shù)

微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC)是利用微生物的催化作用，對廢水中的有機(jī)物進(jìn)行降解，將有機(jī)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置[1]。以常見的雙室MFC為例，在陽極室，微生物(尤其是附著在電極表面上的微生物)對有機(jī)物進(jìn)行厭氧氧化并降解，產(chǎn)生H+、電子和CO2；微生物細(xì)胞內(nèi)的電子先通過一系列呼吸酶傳遞給細(xì)胞膜外的某些蛋白質(zhì) (如C型胞外細(xì)胞色素)，再通過不同的胞外電子傳遞方式傳遞到陽極表面；電子由外電路到達(dá)陰極，H+跨過離子交換膜到達(dá)陰極；在陰極電極表面，電子、H+和O2發(fā)生還原反應(yīng)，完成整個(gè)氧化還原過程。

目前，與化學(xué)燃料電池相比，MFC的功率低了1～2個(gè)數(shù)量級[2]。MFC中涉及了微生物的生化與電化學(xué)反應(yīng)、電子傳遞等過程，為一復(fù)雜的生化電化學(xué)體系，其緩慢的生化與電化學(xué)反

本文對應(yīng)用于MFC中的電化學(xué)與生物技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以便了解MFC中常用的電化學(xué)與生物技術(shù)手段，以期通過各種技術(shù)手段深入了解MFC中產(chǎn)電菌或者生物膜的產(chǎn)電和生化特性。

1 電化學(xué)技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1極化曲線

極化曲線是表征電池電壓或電勢與電流關(guān)系的曲線。MFC中，可以采用不同的方法獲得電池或電極的極化曲線。通過改變外電阻獲得的極化曲線，可以在一個(gè)周期內(nèi)改變電池外電阻(單循環(huán)方法)或者在一個(gè)周期內(nèi)只采用一個(gè)外電阻(多循環(huán)模式)[3-4]。極化曲線也可以通過線性伏安掃描法獲得[5-6]，但是掃速為1 mV/s時(shí)獲得的功率比0.1 mV/s時(shí)高出了80％。因此若利用線性伏安法獲得可靠的極化曲線，應(yīng)該在低掃速(0.1 mV/s)下進(jìn)行，以保證測量時(shí)體系處于近似穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

1.2循環(huán)伏安法

循環(huán)伏安 (cyclic voltammetry，CV)法是一種廣泛應(yīng)用于MFC研究中的電化學(xué)技術(shù)手段，可以研究細(xì)菌的電化學(xué)活性和電子傳遞方式。Liu[7]利用CV方法研究了以污水為接種體，不同陽極材料如石墨棒、多晶碳棒、碳纖維紗、石墨薄片、碳紙等陽極生物膜的電化學(xué)活性，結(jié)果表明，生長在石墨棒和多晶碳棒的生物膜表現(xiàn)出相似的電催化活性；碳纖維紗和碳紙上的生物膜的電化學(xué)活性比石墨棒上的高了40％。Prasad[8]利用CV方法研究了固定在電極上的酵母菌Hansenulaanomola的電子傳遞方式，從測試結(jié)果推斷出，此種細(xì)菌的胞外細(xì)胞膜上存在氧化還原酶，這些酶直接與電極相互作用來傳遞電子。Richter[9]對生長在碳布陽極上的野生型和變異的Geobacter Sulfurreducens的生物膜進(jìn)行了CV測試，以確定電子傳遞過程中起作用的電子介體種類，結(jié)果表明，野生型的生物膜是由電子介體組成的導(dǎo)電體，其中C型胞外細(xì)胞色素Z(outer membrane c-type cytochrome Z,OmcZ)參與了各向同性的電子傳遞過程，而C型胞外細(xì)胞色素B(OmcB)參與了各向異性的電子傳遞過程。實(shí)驗(yàn)首次證明了Geobacter生物膜利用大量的電子介體來傳遞電子，并且在胞外電子傳遞過程中，區(qū)分了OmcB和OmcZ的作用。

研究者將CV技術(shù)與其他生物方法結(jié)合來研究MFC中的生物電化學(xué)反應(yīng)。Millo[10]利用CV和拉曼光譜技術(shù)，首次對活性生物膜中的胞外細(xì)胞色素進(jìn)行原位光譜測量，以探查電極表面附近蛋白質(zhì)中的亞鐵紅素基因。結(jié)果表明，細(xì)菌中存在兩種細(xì)胞色素，其與電極直接進(jìn)行電子傳遞。為了評價(jià)細(xì)菌Geobacter Sulfurreducens產(chǎn)生的氧化還原蛋白質(zhì)的電化學(xué)活性，Liu[11]采用CV技術(shù)和紫外/可見光光譜分析進(jìn)行研究，研究結(jié)果證實(shí)了C型細(xì)胞色素參與的直接電子傳遞方式是電流產(chǎn)生的原因。

1.3內(nèi)阻測量

MFC的內(nèi)阻是影響電池性能的關(guān)鍵因素之一[12]。獲得電池內(nèi)阻的方法有以下幾種：極化曲線斜率[13]，功率曲線最大功率點(diǎn)處[12]，電流中斷法[14]和電化學(xué)阻抗譜法[15-16]。極化曲線斜率可從極化曲線的線性部分獲得。在功率密度曲線上，電池的最大功率點(diǎn)處，電池內(nèi)阻等于外接電阻。電流中斷法是快速中斷電路(微秒級)，并記錄中斷前后的電勢，根據(jù)歐姆定律獲得歐姆阻抗的方法。電化學(xué)阻抗譜法(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)不僅可以區(qū)分不同組成部分的阻抗，而且在極化條件下進(jìn)行測量，不破壞電極/電解液界面處的平衡狀態(tài)。

MFC研究中，EIS測試可以在開路和極化條件下進(jìn)行。Srikanth[16]以細(xì)菌Geobacter Sulfurreducens為催化劑，在生物膜附著前后對碳紙陽極進(jìn)行EIS測試，研究結(jié)果表明，當(dāng)細(xì)菌存在時(shí)，陽極的極化阻力極大地降低，陽極的電容也大大增加，這可歸結(jié)為陽極表面存在著導(dǎo)電的生物膜，加快了陽極氧化反應(yīng)的速率。Ouitrakul[17]對鋁、銀、鎳、不銹鋼和碳布等陽極材料進(jìn)行了EIS測試，結(jié)果表明，碳布和銀電極表現(xiàn)出低的極化阻力，而其他材料的極化阻力較高。Qiao[18]針對涂有碳納米管/polyaniline復(fù)合涂層的鎳泡沫電極進(jìn)行了EIS測試，結(jié)果表明，隨著電極表面上碳納米管載量的增加，陽極極化阻力隨之降低。Ramasamy[15]在陽極生物膜的生長階段進(jìn)行了EIS測試，經(jīng)過3周時(shí)間，陽極阻力大大降低，表明陽極表面發(fā)生的氧化反應(yīng)的動力性增強(qiáng)了。Borole[19]報(bào)道了陽極生物膜形成階段電極阻抗的變化情況，結(jié)果表明，43天運(yùn)行后，陽極和陰極阻抗均顯著減小，且陽極電容有所增加。

在極化條件下進(jìn)行EIS測試，不僅可以反映運(yùn)行時(shí)MFC內(nèi)阻的組成，也可以研究不同實(shí)驗(yàn)條件對電化學(xué)反應(yīng)的影響。Ramasamy[18]在陽極電極上施加不同的電流密度；Manohar[20]在電池上施加了不同的電壓；Borole[19]和Ren[21]在不同的MFC外接電阻下，進(jìn)行了EIS測試。以上EIS結(jié)果表明，隨著電池電流的增加、電池電壓的降低以及外電阻的減小，電極或者電池的極化阻力隨之降低。

研究者也利用EIS技術(shù)考察了其它實(shí)驗(yàn)條件對MFC中電化學(xué)反應(yīng)的影響。He[22]發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)陰極MFC中，陰極旋轉(zhuǎn)前后，陽極極化阻力從28 Ω增加到65 Ω。這是由于陰極的旋轉(zhuǎn)增加了陽極室中溶解氧的濃度，對細(xì)菌的厭氧代謝有負(fù)作用。隨后，He[23]針對空氣陰極MFC，研究了電解液pH對電極反應(yīng)的影響。結(jié)果表明在pH為7的電解液中，陽極阻抗最低；當(dāng)溶液pH從5增加到10，陰極阻抗隨之降低。

除此之外，有研究者利用EIS技術(shù)研究生物膜與電極的電子傳遞方式。Ramasamy[24]首次利用EIS技術(shù)研究Shewanella自身分泌的電子介體的電化學(xué)特性。

2 生物技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1生物膜群落分析

MFC中用于分析生物膜群落的方法主要有變性梯度凝膠電泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)[25-26]、16S rRNA克隆庫方法(16S rRNA clone library method)[27-28]、熒光原位雜交技術(shù)(fluorescence in situ hybridization,FISH)[29-30]和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)(polymerase chain reaction，PCR)[31]等。

Kim[25]采用16S rRNA克隆庫方法獲得的細(xì)菌種類與利用DGGE方法獲得的細(xì)菌種類非常相似。Sun[26]利用16S rRNA克隆庫對4種陽極填料材料上的細(xì)菌種類進(jìn)行分析。在石墨活性碳和小立方體碳?xì)稚希?xì)菌Geobacter所占比例最大；在石墨顆粒上，細(xì)菌Azospira的數(shù)量最多。結(jié)果表明石墨活性炭最適應(yīng)細(xì)菌Geobacter的附著和生長。

2.2生物量測定

按照Sun[26]和Wei[28]的研究，電極上活性生物量與MFC功率呈正相關(guān)關(guān)系。MFC中可以采用不同方法獲得電極上的生物量：將樣本染色，利用熒光顯微鏡獲得細(xì)菌總數(shù)[29]，以蛋白質(zhì)含量來表征生物量[30]，磷脂法獲得活性生物量[31-32]。磷脂法最初由Findlay[31]提出，隨后由Aelterman[32]改進(jìn)，用于測量活性細(xì)菌中磷脂含量，并通過轉(zhuǎn)換關(guān)系最終確定活性細(xì)菌的質(zhì)量。

2.3顯微技術(shù)

可以利用各種顯微鏡，如激光共聚焦掃描顯微鏡(confocal laser scanning microscopy,CLSM)[33-34]、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)[33-35]、熒光顯微鏡(epiflourescencemicroscopy,EM)[36-37]、透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)[34,36]、原子力顯微鏡 (atomic force microscopy, AFM)[37-38]等來觀測生物膜的形貌以及細(xì)菌的形態(tài)。

Franks[33]利用對pH敏感的熒光染色劑將生物膜染色，利用CLSM實(shí)時(shí)監(jiān)測了生物膜內(nèi)pH分布。結(jié)果顯示，靠近電極處的H+濃度較高；當(dāng)主流區(qū)pH為7.0時(shí)，在陽極電極附近的pH為6.1。Kim[34]利用CLSM技術(shù)發(fā)現(xiàn)，混合菌種是由帶負(fù)電荷和正電荷的細(xì)菌組成，并且這些細(xì)菌在電極表面上形成菌落；SEM結(jié)果顯示電極表面上細(xì)菌的尺寸不同，存在一些0.2～0.3 μm的小尺寸細(xì)菌；TEM結(jié)果表明小尺寸細(xì)菌具有雙層細(xì)胞壁。Read[35]利用CLSM和SEM技術(shù)觀察到生物膜內(nèi)細(xì)菌活度是不同的，在電極附近，帶負(fù)電荷和正電荷的細(xì)菌活度較高；沿著遠(yuǎn)離電極方向，活度逐漸降低。Dumas[36]首次利用EM技術(shù)，估算了細(xì)菌Geobacter Sulfurreducens在石墨和形穩(wěn)陽極(dimensionally stable anodes，DSA)電極上生物膜內(nèi)所占比例。Reguera[38]利用AFM觀測到G.sulfurreducens產(chǎn)生的納米導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)比S.oneidensis產(chǎn)生的要窄得多。

3 展望

微生物燃料電池中，生物與電化學(xué)技術(shù)是研究細(xì)菌尤其是生物膜的生化與電化學(xué)特性的手段。原地且實(shí)時(shí)的生物與電化學(xué)技術(shù)是MFC測量技術(shù)研究中的一個(gè)發(fā)展方向，這可以為研究不同操作條件下MFC的性能提供直接而可靠的依據(jù)。

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Research progress of electrochemistry and biological technologies in microbial fuel cells

LIU Chun-mei,XU Bin,LIU Jian-xin
(Institute of Vehicle and Motive Power Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan 471003,China)

Microbial fuel cell(MFC)was a new biological energy utilization technology,using microorganisms as catalysts,which could transform chemical energy storing in waste water into electricity.The biochemical and electrochemical reactions related with the bacteria were the key processes to decide the performance of the MFCs.To investigate the chemical and electrochemical characteristics of bacteria,the biological and electrochemical technologies were used in the MFCs.The research progress of the biological and electrochemical technologies in the MFCs was reviewed.The electrochemical technologies adopted in the MFCs such as polarization curves,cyclic voltammetry and internal resistance measurement were summed.And the biological technologies such as community analysis of biofilm,biomass measurement and morphologies of bacteria observation were gathered.Finally, application prospects of those technologies were forecasted.

microbial fuel cell;electrochemical technology;biological technology

TM 911

A

1002-087 X(2016)01-0225-04

2015-06-13

河南科技大學(xué)博士啟動基金(4003-13480033)；河南科技大學(xué)大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃(2015023)

劉春梅(1980—)，女，河南省人，博士，講師，主要研究方向?yàn)槲⑸锶剂想姵刂嘘P(guān)鍵熱物理問題。應(yīng)是制約性能的關(guān)鍵過程。因此，研究與微生物有關(guān)的電子傳遞過程、細(xì)菌的電化學(xué)活性以及降解特性很有必要。為了探求產(chǎn)電菌尤其是生物膜的電化學(xué)活性和生化特性，需要一定的電化學(xué)和生物技術(shù)手段進(jìn)行表征。