1、微生物燃料電池中底物的研究進(jìn)展微生物燃料電池中底物的研究進(jìn)展劉晶晶1，2，孫永明2，孔曉英2，李連華2，李穎2，田沈1，楊秀山1，袁振宏2（1.首都師范大學(xué)，北京100048；2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州510640）摘要：微生物燃料電池是一種利用可溶性有機(jī)廢物和可再生生物質(zhì)等原料萃取電能的裝置，而底物作為能量轉(zhuǎn)化的能源物質(zhì)，是影響微生物燃料電池產(chǎn)電能力的重要因素之一。能夠充當(dāng)?shù)孜锏挠袡C(jī)質(zhì)種類十分豐富，如多種低濃度有機(jī)廢水和纖

2、維素等，底物的種類不同，電池的產(chǎn)電能力也會(huì)存在差異。因此，有必要對(duì)這一系統(tǒng)中底物對(duì)電池產(chǎn)電性能及其他方面的影響進(jìn)行更加深入的了解。文章詳細(xì)闡述了底物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的幾種途徑，重點(diǎn)介紹了不同種底物的生物化學(xué)特性、主要富集的微生物類別及產(chǎn)電性能，分析了底物的種類和濃度對(duì)電能轉(zhuǎn)化的影響，提出了微生物燃料電池存在的問題和工作方向，為提高電池的電能產(chǎn)量提供了思路。關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；底物；功率密度；污水處理中圖分類號(hào)：X172文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

3、A文章編號(hào)：10036504(2011)06010405微生物燃料電池（MFC）是一種新型的生物化學(xué)催化裝置，它利用微生物代替了陽(yáng)極的金屬催化劑，通過(guò)微生物自身代謝，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物的降解和電子的轉(zhuǎn)移，使化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能[12]。MFC具有能量轉(zhuǎn)化效率高、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在能源短缺的今天，受到了廣泛的關(guān)注。隨著對(duì)MFC興趣的不斷提高，與之相應(yīng)的研究也不斷深入。對(duì)MFC的研究開始于1910年，英國(guó)植物學(xué)家Pouer把酵母和大腸桿菌放入含

4、有葡萄糖的培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)而獲得了電壓[3]，20世紀(jì)80年代，電子傳遞中間體成為研究的熱點(diǎn)，這類介體的廣泛應(yīng)用，使MFC的輸出功率有了很大提高，90年代后，隨著研究的進(jìn)行，不通過(guò)介體而能夠進(jìn)行電子傳遞的微生物被發(fā)現(xiàn)，就此開始了對(duì)無(wú)介體MFC的研究[4]。在無(wú)介體MFC中，底物作為能量轉(zhuǎn)化的來(lái)源，它的類型和利用效率影響著微生物的群落結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)速度，這就使之成為了決定產(chǎn)電效率高低的重要因素之一，因此底物分析對(duì)提高微生物燃料電池產(chǎn)電能力具有

5、重要意義。1底物化學(xué)能的轉(zhuǎn)化貯存在有機(jī)物中的能量通過(guò)一系列脫氫反應(yīng)被傳遞。自有機(jī)物脫下的氫最終可與分子氧、有機(jī)物或無(wú)機(jī)物等氫受體相結(jié)合，將釋放出的能量轉(zhuǎn)化為電能。有機(jī)物的氧化放能主要通過(guò)兩條途徑完成，即微生物的呼吸和發(fā)酵。在有氧呼吸的作用下，底物被氧化，釋放出的電子經(jīng)過(guò)完整的電子傳遞系統(tǒng)，傳遞給最終外源電子受體———分子氧，從而生成水并釋放出能量，有氧呼吸是獲得能量最多的一條途徑。無(wú)氧呼吸是無(wú)氧條件下，釋放出的電子經(jīng)過(guò)部分電子傳遞系統(tǒng)，

6、最終的電子受體不是氧分子，而是氧化態(tài)的無(wú)機(jī)物或有機(jī)物。由于無(wú)氧呼吸所經(jīng)過(guò)的電子傳遞系統(tǒng)要比有氧呼吸的短，因此獲得的能量也比較少。在缺少外源電子受體時(shí)，許多微生物會(huì)以發(fā)酵的形式降解底物，在這一過(guò)程中，電子載體將釋放出的電子直接傳遞給底物降解后的內(nèi)源性中間產(chǎn)物，如丙酮酸、乳酸等，由于作為電子受體的中間產(chǎn)物是分解不徹底的有機(jī)物，獲得的能量也低于有氧呼吸[5]。目前為止，微生物傳遞電子的形式大致分為兩種：直接進(jìn)行電子傳遞和利用介體進(jìn)行電子傳遞，

7、如圖1。2.1乙酸鹽乙酸鹽是厭氧環(huán)境中含量最為豐富的脂肪酸，它可以作為電子供體被厭氧微生物利用[11]，并且是其中一些代謝途徑的終產(chǎn)物，如ED途徑。由于乙酸鹽在室溫下對(duì)于其他微生物轉(zhuǎn)化具有不活潑性，使它成為了研究MFC構(gòu)造、操作條件和設(shè)計(jì)反應(yīng)器等最常用的底物。能夠氧化乙酸鹽的厭氧微生物多數(shù)為產(chǎn)甲烷細(xì)菌（methanogens）和硫化細(xì)菌（thiobacillus），以及金屬還原菌（metalreducingbac－terium）中的地桿

8、菌屬（Geobacter）[12]，在此種底物培養(yǎng)MFC的微生物群落中，又以地桿菌（Geobactersul－furreducens）為最主要微生物[13]。Bol等通過(guò)使用流動(dòng)陽(yáng)極，以乙酸鹽作為底物，使MFC的功率密度達(dá)到了3650mWm2，庫(kù)倫效率達(dá)到了（885.7)%[14]。Chae等比較了分別以乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽和葡萄糖為底物的MFC的產(chǎn)電性能，結(jié)果表明乙酸鹽培養(yǎng)MFC的庫(kù)倫效率（72.3%）明顯高于其他幾種底物的電池（分

9、別為36.0%、43.0%和15.0%）[15]。2.2葡萄糖葡萄糖也是最常用的底物之一，它的優(yōu)點(diǎn)在于MFC中產(chǎn)電微生物群落的多樣性，這些不同種微生物降解葡萄糖所產(chǎn)生的副產(chǎn)物種類也相當(dāng)豐富，副產(chǎn)物又可作為底物被相應(yīng)的微生物利用，從而使電池具有非常高的功率密度[15]。但是由于葡萄糖屬于發(fā)酵型底物，一部分能量用作了微生物自身的生長(zhǎng)，庫(kù)倫效率就相應(yīng)的降低了很多[9]。厚壁菌門（Firmicutes）在葡萄糖轉(zhuǎn)化中起著重要的作用[16]，其他