采用石墨-無機(jī)硅膠復(fù)合陽極的土壤MFC產(chǎn)電性能研究

魯雨，周豐武，鐘文輝，劉麗，李小方，鄧歡*

（1.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023；2.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023；3.江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023；4.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，石家莊 050022）

在土壤及沉積物環(huán)境中普遍含有產(chǎn)電細(xì)菌和有機(jī)質(zhì)“燃料”，因此在土壤中構(gòu)建微生物燃料電池（MFC）可原位產(chǎn)生少量電能。如果能提高土壤MFC的產(chǎn)電能力，實(shí)現(xiàn)在野外驅(qū)動(dòng)傳感器運(yùn)行、發(fā)射救援信號(hào)等用途，將具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。土壤MFC陽極位于淹水土壤中，陰極位于上覆水中。土壤中的產(chǎn)電細(xì)菌分解有機(jī)質(zhì)，并將電子傳遞給胞外的陽極，電子通過導(dǎo)線到達(dá)陰極，與上覆水中的溶解氧發(fā)生還原反應(yīng)。在這一過程中，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的NADH作為電子供體，O2作為電子受體，從而在土壤MFC導(dǎo)線上形成電流。陽極反應(yīng)為NADH=NAD++H++2e，φ=-0.32 V；陰極反應(yīng)為O2+4H++4e=2H2O，φ=+1.229 V。因此以O(shè)2作為電子受體時(shí)，MFC的理論最大電勢(shì)差約為1.55 V。但由于土壤MFC內(nèi)阻較高，土壤有機(jī)質(zhì)含量和產(chǎn)電細(xì)菌數(shù)量有限，其開路電壓遠(yuǎn)低于1.55 V。Deng等[2]以碳布作為電極材料在淹水土壤中構(gòu)建土壤MFC，其中單個(gè)MFC開路電壓約為500 mV；為了提高土壤MFC的電壓輸出，Wolińska等[3]向土壤中添加葡萄糖等不同碳源；Yu等[4]采用Fe3O4修飾陽極。當(dāng)土壤MFC電路上連接1 000 Ω負(fù)載時(shí)，采用上述措施僅能獲得300 mV左右的輸出電壓。因此，要讓土壤MFC輸出1 V以上電壓，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)小功率電器，需要串聯(lián)多個(gè)土壤MFCs。本課題組以碳?xì)肿鳛殛枠O，鉑網(wǎng)作為陰極構(gòu)建土壤MFC，并將3個(gè)土壤MFCs串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了最高1.596 V的輸出電壓和144.16 μW的輸出功率，驅(qū)動(dòng)電子鐘穩(wěn)定運(yùn)行80 h[5]，初步實(shí)現(xiàn)了土壤MFC驅(qū)動(dòng)小功率電器的目標(biāo)。但目前涉及土壤MFC發(fā)電的研究較少，而基于有機(jī)廢水、河流和海洋底泥的MFC通過串聯(lián)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)小型傳感器[6-8]，有望在所屬的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)原位供電。土壤MFC存在內(nèi)阻較高，以及串聯(lián)電池引發(fā)電壓反轉(zhuǎn)和陽極性能有限等問題[9]，需要加以解決，才能進(jìn)一步提升土壤MFC產(chǎn)電能力，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)小功率電器。另外，考慮到傳統(tǒng)的碳基材料如碳紙、碳布、碳?xì)值荣|(zhì)地柔軟，用于構(gòu)建土壤微生物燃料電池時(shí)，需要挖開土壤進(jìn)行埋設(shè)[10]，增加了操作的復(fù)雜性。因此，研究者主要對(duì)產(chǎn)電性能和MFC裝置實(shí)用性兩個(gè)方向進(jìn)行改進(jìn)：一方面通過改進(jìn)陽極材料，提升陽極導(dǎo)電性、比表面積、孔隙率[11]，從而顯著提高土壤MFC產(chǎn)電能力[12-15]。另一方面，使用硬質(zhì)的陽極材料，便于直接插入土壤產(chǎn)電，提高土壤MFC的實(shí)用性。

本研究的目的是：闡明作者發(fā)明的石墨-無機(jī)硅膠復(fù)合陽極以及土壤MFC的產(chǎn)電性能，包括長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)小功率電器的能力；揭示陽極表面活躍的產(chǎn)電細(xì)菌組成，回答“誰在產(chǎn)電”的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本研究將石墨-無機(jī)硅膠復(fù)合陽極（專利公開號(hào)CN110943230A）[16]埋設(shè)在水稻土中，鉑網(wǎng)作為陰極置于上覆水中構(gòu)建并運(yùn)行土壤MFC。將兩個(gè)土壤MFCs串聯(lián)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電子鐘穩(wěn)定運(yùn)行30 d，之后對(duì)土壤MFC進(jìn)行電化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)，包括陽極電荷傳遞電阻、極化曲線和最大功率密度。檢測(cè)結(jié)束后，提取陽極表面土壤的RNA，對(duì)反轉(zhuǎn)錄后的16S rRNA進(jìn)行測(cè)序，從屬的水平上揭示土壤中活躍的產(chǎn)電細(xì)菌組成和多樣性。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

2018年7月于南京市江寧區(qū)水稻田（32°05′18″N，118°28′59″E）進(jìn)行土壤樣品采集（深度0～20 cm）。土壤采集后研磨過2 mm篩并充分混勻，土壤過篩后保存在4℃冰箱中，用于后續(xù)“土壤微生物燃料電池構(gòu)建和運(yùn)行”實(shí)驗(yàn)，部分過篩的土壤經(jīng)風(fēng)干后進(jìn)行理化分析[17]。土壤pH采用pH計(jì)（FE20，Mettler Toledo，Switzerland）按土水比1∶2.5測(cè)定；土壤電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀（DDSJ-308F，上海雷磁）按土水比1∶5測(cè)定；土壤可溶性有機(jī)碳采用TOC分析儀（TOC-L，Shimadzu，Kyoto，Japan）測(cè)定；土壤總氮采用元素分析儀（Vario ELⅢ Elementar，Germany）測(cè)定。土壤理化性質(zhì)如下：土壤pH 7.26，土壤電導(dǎo)率105.41 μS·cm-1，土壤可溶性有機(jī)碳162.55 mg·kg-1，土壤總氮2.98 g·kg-1。

1.2 陽極材料制備與表征

將厚2 mm的碳?xì)智懈畛?.5 cm×1.0 cm的長(zhǎng)方體，在10%的H2SO4溶液中浸泡30 min，酸洗完成后在去離子水中超聲清洗30 min；置于廣口玻璃瓶中60℃干燥2 h。稱取處理后的碳?xì)?.1 g置于50 mL密度為1.50 g·cm-3的硅酸鈉溶液中，使用電動(dòng)攪拌機(jī)（TH-A 100 W，常州國(guó)宇儀器）攪拌20 min，超聲分散成碳纖維。稱取16 g 3 000目的石墨粉（貨號(hào)C-01-1，戈貴金屬）加入上述溶液中，攪拌混勻30 min得到無機(jī)硅膠-石墨混合溶液。將所得無機(jī)硅膠-石墨混合物注入圓柱形硅膠模具（直徑5 cm，高度10 cm），室溫不低于25℃條件下放置于通風(fēng)處24 h。

向無機(jī)硅膠-石墨混合物中垂直插入6根長(zhǎng)度10 cm鈦絲，間距1.5 cm，放入烘箱程序性升溫，加熱固化。升溫程序?yàn)椋?0℃加熱6 h，80℃加熱1 h，120℃加熱4 h，自然冷卻至室溫。固化物置于30%硫酸中浸泡12 h。于40 Hz條件下在去離子水中超聲清洗4次，得到石墨-無機(jī)硅膠復(fù)合陽極。采用掃描電鏡（JSM-5610 LV，Japan）觀察陽極材料斷面的微觀結(jié)構(gòu)，用精密蝕刻涂層系統(tǒng)斷面噴金，加速電壓25 kV[18]。采用比表面與孔隙度分析儀（Micromeritics ASAP2050，US）檢測(cè)電極材料的比表面積。

1.3 土壤微生物燃料電池構(gòu)建和運(yùn)行

在兩個(gè)PE材質(zhì)容器（直徑30 cm，高度25.5 cm）中分別構(gòu)建土壤MFC，命名為MFC1、MFC2。過程如下：每個(gè)容器裝入10 kg土壤（干土質(zhì)量），緩慢加水至水面高于土壤表面7 cm。將1.2中制備的無機(jī)硅膠-石墨復(fù)合陽極插入淹水土壤中，陽極上表面位于土壤表面以下3 cm處。陰極（鉑網(wǎng)，直徑4.5 cm）浸沒于上覆水中。采用便攜式溶解氧儀（JPBJ-608，上海儀電）檢測(cè)上覆水中溶解氧濃度，為6.51 mg·L-1。每個(gè)土壤MFC的陽極和陰極連接1 000 Ω的外阻，馴化產(chǎn)電細(xì)菌，電壓穩(wěn)定后去掉外阻并串聯(lián)MFC1和MFC2。當(dāng)串聯(lián)MFCs的開路電壓（OCV）高于1.5 V時(shí)，連接電容（1 F）充電。充電完成后將電子計(jì)時(shí)器（額定電壓1.0 V，額定功率18 μW）與電容并聯(lián)，計(jì)時(shí)器開始運(yùn)行（圖1）。在室溫下土壤MFC驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)器連續(xù)運(yùn)行30 d，使用數(shù)據(jù)采集卡（7660B，北京中泰研創(chuàng)）每15 min記錄一次電壓數(shù)據(jù)；采用電子溫度計(jì)（T12R-EX，深圳英斯特）每2 h記錄一次氣溫?cái)?shù)據(jù)。電子計(jì)時(shí)器運(yùn)行30 d后，斷開電路進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試并提取陽極表面土壤的RNA。

1.4 電化學(xué)性能測(cè)試

電子計(jì)時(shí)器運(yùn)行結(jié)束后，按從高到低的順序（20、10、5、1 k和500、100、50、10 Ω）依次改變單個(gè)MFC和串聯(lián)MFCs的外阻，獲得單個(gè)MFC和串聯(lián)MFCs的極化曲線和功率密度曲線[19]。電流密度j（mA·m-2）和功率密度P（mW·m-2）按下列公式計(jì)算：

式中：U為電壓，V；R為外電阻，Ω；I為電流，A；A為陽極的表面積，m2。

采用電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜分析（Versa STAT4，Princeton applied research，Oak Ridge，US），檢測(cè)單個(gè)MFC的陽極電荷傳遞電阻。將陽極作為工作電極，陰極作為對(duì)電極和參比電極[20]。EIS參數(shù)為頻率范圍10 m～100 kHz，振幅10 mV。采用ZSimDemo 3.30軟件選擇等效電路擬合Nyquist曲線，獲得陽極電荷傳遞電阻阻值。

圖1 串聯(lián)的土壤微生物燃料電池（MFC1和MFC2）Figure 1 Serially connected soil microbial fuel cells（MFC1 and MFC2）

1.5 RNA的提取和測(cè)序

電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)束后，采用RNA快速提取試劑盒（Fast RNA SPIN Kit for Soil，MP）從陽極表面土壤中提取RNA。提取完成后采用27F∕907R引物進(jìn)行PCR，確認(rèn)RNA中不含DNA[21]。RNA提取后立即反轉(zhuǎn)錄成 cDNA。10 μL 反轉(zhuǎn)錄體系中含有 2 μL 5×PrimeScript?RT Master Mix，1 μL 總 RNA 和 7 μL 無RNase蒸餾水。該體系在37℃下培養(yǎng)15 min，升溫至85℃維持5 s，使逆轉(zhuǎn)錄酶失活，提取的cDNA使用前保存在-80℃冰箱中。

采用引物515F（5′-GTG CCA GCM GCC GCG G-3′）∕907R（5′-CCG TCA ATT CMT TTR AGT TT-3′）對(duì)反轉(zhuǎn)錄后的16S rRNA V4～V5區(qū)域進(jìn)行PCR擴(kuò)增[22]。PCR體系的體積為 25 μL，包括 1 μL DNA 模板、各1 μL上下游引物、2.5 μL 10×buffer（含Mg2+）、4 μL 10 mmol·L-1dNTPs（每種各 2.5 mmol·L-1）以及 2.5 U Taq酶。熱循環(huán)條件95℃3 min。40個(gè)循環(huán)擴(kuò)增包括95 ℃ 10 s、55 ℃ 20 s、72 ℃ 30 s[23]，電泳觀察擴(kuò)增產(chǎn)物。在Illumina Miseq平臺(tái)（上海美吉）對(duì)反轉(zhuǎn)錄后的16S rRNA V4～V5區(qū)域進(jìn)行高通量測(cè)序。

1.6 多樣性指數(shù)

陽極表面產(chǎn)電細(xì)菌多樣性評(píng)估使用Richness物種豐富度（S）、Shannon-Wiener指數(shù)（H′）、Chao1（C）指數(shù)為參數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：n為個(gè)體數(shù)（豐度）大于0的物種類型總數(shù)；pi為物種i的相對(duì)豐度；F1為僅包含1個(gè)個(gè)體的物種數(shù)；F2為僅包含2個(gè)個(gè)體的物種數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物燃料電池的運(yùn)行

圖2 復(fù)合陽極材料的SEM圖像（×700倍）Figure 2 SEM image of composite anode material（×700 times）

土壤MFC陽極的掃描電鏡結(jié)果顯示，石墨-無機(jī)硅膠復(fù)合陽極結(jié)構(gòu)呈堆疊蜂窩狀，石墨片間有碳纖維連接（圖2）。陽極材料比表面積為31.85 m2·g-1。陽極表面產(chǎn)電細(xì)菌馴化42.5 h后土壤MFCs電壓達(dá)到穩(wěn)定水平，其中MFC1和MFC2的1 000 Ω外阻兩端電壓分別為（242.2±1）mV和（191.4±1）mV（圖3）；開路電壓分別為770.9 mV和648.6 mV。MFC1和MFC2串聯(lián)初始的開路電壓為1 407.9 mV。串聯(lián)48 h后，串聯(lián)MFCs的開路電壓逐漸上升到1 540.1 mV。此時(shí)，采用串聯(lián)MFCs對(duì)一個(gè)電容（1 F）進(jìn)行充電。電容連接到MFCs后，串聯(lián)開路電壓急劇下降至183.9 mV，隨后逐漸上升。電容充電15.25 h后，串聯(lián)MFCs的電壓上升到1 487.3 mV。將一個(gè)電子計(jì)時(shí)器與電容及串聯(lián)MFCs并聯(lián)（圖1），此時(shí)串聯(lián)MFCs及電容同時(shí)為電子計(jì)時(shí)器供電，驅(qū)動(dòng)其連續(xù)穩(wěn)定計(jì)時(shí)30 d（2019年9月28日—2019年10月28日），期間MFCs串聯(lián)電壓一直穩(wěn)定在1 403.3～1 579.9 mV，室內(nèi)溫度變化范圍為15.5～31.1℃。

2.2 陽極電荷傳遞電阻

圖3 MFCs的電壓曲線Figure 3 Voltage curves of MFCs in four stages

圖4 為MFC1和MFC2陽極內(nèi)阻的Nyquist圖以及等效電路圖。MFC1和MFC2的陽極等效電路都為歐姆內(nèi)阻（RΩ）串聯(lián)電容（C）和陽極電荷傳遞電阻（Rct）的并聯(lián)電路。通過等效電路計(jì)算出MFC1和MFC2陽極電荷傳遞電阻分別為16.46 Ω和16.80 Ω，歐姆阻抗分別為102.00 Ω和102.50 Ω。

2.3 極化曲線和功率密度曲線

圖5為MFC1、MFC2以及串聯(lián)電路極化曲線和功率密度曲線。MFC1和MFC2負(fù)載1 000 Ω外阻時(shí)達(dá)到最大功率密度，分別為3.54 mW·m-2和2.39 mW·m-2。MFC1和MFC2串聯(lián)電路負(fù)載5 000 Ω外阻時(shí)，達(dá)到最大功率密度5.45 mW·m-2。

2.4 土壤中活性產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬的相對(duì)豐度及多樣性

基于16S rRNA的測(cè)序結(jié)果（圖6）表明，MFCs陽極表面的土壤中有14個(gè)活躍的產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬，包括氣單胞菌屬（Aeromonas）、脫硫球莖菌屬（Desulfobulbus）、脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）、梭菌屬（Clostridium）、紅桿菌屬（Rhodobacter）、地發(fā)菌屬（Geothrix）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、地桿菌屬（Geobacter）、不動(dòng)桿菌（Acinetobacter）、脫亞硫酸菌屬（Desulfitobacterium）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、大腸桿菌屬（Escherichia），以及Thermincola和Geoalkalibacter。表1顯示產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬的多樣性指數(shù)。MFC1和MFC2陽極上產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬的16S rRNA數(shù)量占全部細(xì)菌的5.97%和4.97%。在至少一個(gè)MFC中，占產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬16S rRNA總量10%的產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬包括地桿菌屬（Geobacter）（MFC1中占32.59%，MFC2中占 19.54%）、芽孢桿菌屬（Bacillus）（MFC1中占25.46%，MFC2中占 41.97%）、梭菌屬（Clostridium）（MFC1中占6.97%，MFC2中占12.60%）、脫硫球莖菌屬（Desulfobulbus）（MFC1中占 12.32%，MFC2中占8.98%）和假單胞菌屬（Pseudomonas）（MFC1中占11.45%）。

圖4 MFC1和MFC2的陽極Nyquist圖以及等效電路圖Figure 4 Nyquist plots and equivalent circuits for anodes of MFC1 and MFC2

圖5 MFC1、MFC2和串聯(lián)MFCs的極化曲線和功率密度曲線Figure 5 Polarization curves and power density curves of MFC1，MFC2 and serially connected MFCs

圖6 兩個(gè)土壤MFCs陽極中檢測(cè)到的活躍的產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬的相對(duì)豐度Figure 6 The relative abundance of the active exoelectrogenic bacteria-associated genera detected from the anodes of the two individual soil MFCs

表1 陽極表面土壤中的產(chǎn)電細(xì)菌多樣性指數(shù)Table 1 Exoelectrogenic bacteria diversity index of paddy soil on anode surface

3 討論

本研究采用自主發(fā)明的一種石墨-無機(jī)硅膠陽極材料構(gòu)建土壤MFCs，在淹水水稻土中利用產(chǎn)電細(xì)菌分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的電能穩(wěn)定運(yùn)行電子計(jì)時(shí)器30 d。實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果經(jīng)歷了4個(gè)步驟，包括產(chǎn)電細(xì)菌的馴化、串聯(lián)土壤MFCs、電容充電，以及驅(qū)動(dòng)電器。新型陽極材料的MFC性能在上述4個(gè)環(huán)節(jié)中均表現(xiàn)良好，相比于作者前期研究[3]，本研究土壤MFCs的產(chǎn)電性能取得了以下進(jìn)展：（1）陽極電荷傳遞電阻較低，且陽極比表面積較高，表明該陽極材料有利于產(chǎn)電細(xì)菌附著并具有較高的電子傳遞效率；（2）產(chǎn)電菌的馴化時(shí)間（55 h）遠(yuǎn)低于作者前期研究中的110 h及其他MFC的馴化時(shí)間[24]，且驅(qū)動(dòng)電子計(jì)時(shí)器運(yùn)行30 d，遠(yuǎn)超出作者前期研究中的80 h；（3）采用兩個(gè)土壤MFCs串聯(lián)實(shí)現(xiàn)上述高產(chǎn)電性能，而作者前期研究需要3個(gè)土壤MFCs串聯(lián)，串聯(lián)MFCs數(shù)量的減少降低了電壓反轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。除了產(chǎn)電性能優(yōu)越之外，本研究發(fā)明的剛性陽極材料能直接插入底泥產(chǎn)電，操作方便；而以往研究[5，10]多采用柔軟的碳?xì)株枠O，需要挖開底泥埋設(shè)后才能產(chǎn)電，操作繁瑣。以往研究也表明土壤長(zhǎng)期產(chǎn)電不會(huì)造成土壤有機(jī)質(zhì)的顯著降低[25]，因此土壤MFC在水稻土中能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)用電器。本研究串聯(lián)土壤MFCs開路電壓穩(wěn)定在1.5 V左右，最大輸出功率158.42 μW，可運(yùn)行該功率以下的小功率用電器，包括微瓦級(jí)低功耗傳感器及移動(dòng)顯示器等。由于土壤內(nèi)阻較高，且土壤中有機(jī)質(zhì)含量和產(chǎn)電細(xì)菌數(shù)量有限，因此本研究獲得的最大功率密度受到限制。相同電極面積下，土壤MFCs的輸出功率遠(yuǎn)低于基于液體培養(yǎng)基或者有機(jī)廢水的MFC的輸出功率（功率密度可達(dá)數(shù)百mW·m-2以上）[26]。但是土壤MFC的功率密度還可以進(jìn)一步提升，措施包括在土壤中種植水稻（Oryza sativa）、互花米草（Spartina anglica）、狼尾草（Pennisetum setaceum）等禾本科植物以增加土壤有機(jī)質(zhì)[27]；在陰極表面附著小球藻（Chlorella vulgaris）以提高O2濃度[28]；采用硼∕氮∕磷∕硫摻雜電極、納米材料電極、3D多孔電極等以促進(jìn)陽極和陰極的催化反應(yīng)[29]等。而且土壤MFC的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)野外條件下的長(zhǎng)時(shí)間原位供電，不用更換培養(yǎng)基和接種產(chǎn)電細(xì)菌；土壤MFC以土壤有機(jī)質(zhì)為電子供體，水中的溶解氧為電子受體，發(fā)電過程產(chǎn)物是H2O，發(fā)電成本低、不產(chǎn)生污染。

電化學(xué)檢測(cè)結(jié)果顯示本研究采用的陽極電荷傳遞電阻小于17.0 Ω，遠(yuǎn)低于采用碳?xì)肿鳛殛枠O材料的陽極電荷傳遞電阻 36.03、77.10 Ω[5，30]。MFC 的產(chǎn)電性能和陽極電荷傳遞電阻直接相關(guān)，陽極作為產(chǎn)電細(xì)菌的載體，極大地影響微生物與電極之間的電子傳遞[31]。較低的電荷傳遞電阻有利于微生物將電能傳遞到用電系統(tǒng)中[32]。掃描電鏡圖像和產(chǎn)電細(xì)菌多樣性進(jìn)一步表明本研究中采用的石墨-無機(jī)硅膠陽極材料具有蜂窩狀三維立體結(jié)構(gòu)，以及較大的比表面積，有利于電極表面細(xì)菌的附著與生長(zhǎng)，提高電子傳遞速率[33]。

串聯(lián)MFCs在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致串聯(lián)失敗[34]。電壓反轉(zhuǎn)的原因包括：內(nèi)阻過高[35]、MFC長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中底物缺乏[36]、微生物催化效果不佳[37]、電流密度過高[38]。本研究串聯(lián)MFCs運(yùn)行的全過程中，未出現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這可能是在MFC與用電器之間使用電容器連接的原因。根據(jù)公式（6）：

式中：U為輸出電壓，V；E為串聯(lián)MFCs的電動(dòng)勢(shì)，V；I為電流，A；Rin為內(nèi)阻，Ω。雖然本研究中陽極電荷傳遞電阻較低，但陰極受制于鉑催化O2得電子速率的影響，在作者團(tuán)隊(duì)之前研究中多次測(cè)試得到陰極電荷傳遞電阻大約為400 Ω[39]，因此經(jīng)過串聯(lián)后土壤MFCs內(nèi)阻至少達(dá)到800 Ω，遠(yuǎn)高于一個(gè)干電池的內(nèi)阻。若串聯(lián)土壤MFCs直接與計(jì)時(shí)器連接，當(dāng)電流產(chǎn)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)劇烈壓降，甚至電壓變負(fù)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)器失敗。采用電容器可以儲(chǔ)存電能是一種避免電壓反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)MFC正常驅(qū)動(dòng)電器的有效方法。

產(chǎn)電細(xì)菌是MFC系統(tǒng)中電能的直接生產(chǎn)者。土壤中的產(chǎn)電細(xì)菌通過細(xì)胞色素c等多種蛋白將分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的電子跨膜傳遞至陽極表面。在胞外電子傳遞過程中，產(chǎn)電細(xì)菌既可以通過直接電子傳遞方式，也可以通過分泌中介體等間接電子傳遞方式將電子傳遞到陽極表面[40-41]，產(chǎn)電細(xì)菌活性直接影響MFC的產(chǎn)電性能[42]。由于至今尚未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)電細(xì)菌共有的特征基因，因此無法借助通用引物和PCR來揭示產(chǎn)電細(xì)菌多樣性。以往大多數(shù)研究采用模式產(chǎn)電細(xì)菌地桿菌屬（Geobacter）和希瓦氏菌屬（Shewanella），或者地桿菌科（Geobacteraceae）來代表所有產(chǎn)電細(xì)菌[43-44]。而作者團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)從不同的土壤中分離鑒定了11株屬于梭菌屬（Clostridium）的產(chǎn)電細(xì)菌[25]，并且基于16S rRNA基因的定量分析顯示在土壤中，梭菌屬和地桿菌屬的細(xì)菌數(shù)量相當(dāng)，相反，希瓦氏菌屬在土壤中數(shù)量很少[17，23]。目前為止，已報(bào)道約100種產(chǎn)電細(xì)菌菌種，分布于57個(gè)屬[45-46]。作者團(tuán)隊(duì)將這57個(gè)屬定義為產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬，通過對(duì)全國(guó)范圍不同土壤16S rRNA基因測(cè)序，發(fā)現(xiàn)土壤中含有16個(gè)產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬，實(shí)現(xiàn)從屬的水平揭示產(chǎn)電細(xì)菌的組成[23]。盡管這一方法存在一定偏差，例如一些產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬中只有一部分菌種被鑒定為產(chǎn)電細(xì)菌。但該方法仍能近似表征土壤產(chǎn)電細(xì)菌組成和多樣性，相比僅用地桿菌科來代表土壤產(chǎn)電細(xì)菌前進(jìn)了一大步。本研究發(fā)現(xiàn)陽極表面土壤中的活性產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬共14個(gè)，高于作者先前碳?xì)株枠O研究中發(fā)現(xiàn)的10個(gè)產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬[5]。產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬的多樣性的提高表明石墨無機(jī)硅膠陽極有利于產(chǎn)電細(xì)菌的附著和生長(zhǎng)。本研究?jī)蓚€(gè)土壤MFCs的產(chǎn)電細(xì)菌多樣性以及電化學(xué)性能并不完全一致，主要是土壤和MFC裝置的誤差所致。

石墨無機(jī)硅膠陽極表面的土壤中，最主要的活性產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬包括地桿菌屬（Geobacter）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、梭菌屬（Clostridium）、脫硫球莖菌屬（Desulfobulbus）和假單胞菌屬（Pseudomonas）。在之前的研究中對(duì)全國(guó)8個(gè)不同地區(qū)（其中包括本研究的采樣地）水稻土中產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬進(jìn)行了16S rRNA基因測(cè)序，發(fā)現(xiàn)地桿菌屬（Geobacter）、梭菌屬（Clostridium）和假單胞菌屬（Pseudomonas）在數(shù)量上是優(yōu)勢(shì)產(chǎn)電菌群，而芽孢桿菌屬（Bacillus）數(shù)量上并不占優(yōu)勢(shì)[23]。但是本研究經(jīng)過30 d的產(chǎn)電過程，芽孢桿菌（Bacillus）和地桿菌（Geobacter）成為陽極表面最活躍的產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬，表明這兩個(gè)屬具有較高的產(chǎn)電活性。其中，地桿菌屬（Geobacter）的大量菌種已被確定為產(chǎn)電細(xì)菌且在水稻土中廣泛存在，包括G.anodire-ducens、G.bemidjiensis、G.bremensis、G.chapellei、G.humireducens、G.hydrogenophilus、G.lovleyi、G.metallireducens、G.sulfurreducens和G.uraniireducens[44]。芽孢桿菌屬（Bacillus）中已獲報(bào)道的產(chǎn)電細(xì)菌為B.subtilis、B.infernus和B.thermoamylovorans[47]，其中B.subtilis已從水稻土中分離培養(yǎng)[48]。屬于梭菌屬（Clostridium）的產(chǎn)電細(xì)菌包括C.acetobutylicum、C.beijerinckii、C.butyricum、C.propionicum和C.sporogenes，這些菌種都存在于水稻土中[49]；屬于假單胞菌屬（Pseudomonas）的產(chǎn)電細(xì)菌包括P.aeruginosa、P.alcaliphila、P.fluorescens和P.stutzeri。除P.alcaliphila之外，其他3個(gè)菌種都從水稻土中獲得分離[50-52]。脫硫球莖菌屬（Desulfobulbus）中目前僅報(bào)道一種產(chǎn)電細(xì)菌D.propionicus，存在于淡水沉積物中[53]。由于不可培養(yǎng)的原因，目前所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)電細(xì)菌菌種也許只占所有產(chǎn)電細(xì)菌的極少部分。土壤作為微生物的“大本營(yíng)”，有望從其中分離出更多的產(chǎn)電細(xì)菌菌株。

土壤及沉積物中的產(chǎn)電細(xì)菌展現(xiàn)出多種潛在應(yīng)用，除了原位驅(qū)動(dòng)小功率電器[5，8]之外，還能夠產(chǎn)生電信號(hào)原位在線監(jiān)測(cè)污染事件[17，54]，以及用于環(huán)境修復(fù)，例如脫硫弧菌還原鉻（Ⅵ）[55]；地桿菌、芽孢桿菌和假單胞菌還原鈾（Ⅵ）、釩（Ⅴ）等[56-58]。對(duì)這些潛在應(yīng)用加以進(jìn)一步探索，有望在新能源、環(huán)境監(jiān)測(cè)和修復(fù)領(lǐng)域產(chǎn)生新技術(shù)。

4 結(jié)論

本研究發(fā)明的石墨-無機(jī)硅膠復(fù)合陽極的電荷傳遞電阻約為16 Ω。以該陽極構(gòu)建的單個(gè)土壤MFC最大功率密度約為3 mW·m-2，兩個(gè)土壤MFCs串聯(lián)電路的最大功率密度為5.45 mW·m-2，最大輸出功率158.42 μW，最高輸出電壓1 579.9 mV，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電子計(jì)時(shí)器穩(wěn)定運(yùn)行30 d，因此石墨-無機(jī)硅膠復(fù)合陽極適用于土壤MFC。同時(shí)本研究土壤中活躍的產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬有14個(gè)，其中地桿菌屬（Geobacter）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、梭菌屬（Clostridium）、脫硫球莖菌屬（Desulfobulbus）和假單胞菌屬（Pseudomonas）為最活躍的產(chǎn)電細(xì)菌相關(guān)屬。