微生物燃料电池中底物的研究进展

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1、微生物燃料电池中底物的研究进展刘晶晶1，2， 孙永明2， 孔晓英2， 李连华2， 李颖2， 田沈1， 杨秀山1， 袁振宏2*    （1.首都师范大学，北京 100048； 2.中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510640）    摘 要：微生物燃料电池是一种利用可溶性有机废物和可再生生物质等原料萃取电能的装置，而底物作为能量转化的能源物质，是 影响微生物燃料电池产电能力的重要因素之一。能够充当底物的有机质种类十分丰富，如多种低浓度有机废水和纤维素等，底物的种类不同，电池的产电能力也会存在差异。因此，有必要对这一系统中底

2、物对电池产电性能及其他方面的影响进行更加深入的了解。文章详细阐述了底物的化学能转化为电能的几种途径，重点介绍了不同种底物的生物化学特性、主要富集的微生物类别及产电性能，分析了底物的种类和浓度对电能转化的影响，提出了微生物燃料电池存在的问题和工作方向，为提高电池的电能产量提供了思路。    关键词：微生物燃料电池； 底物； 功率密度； 污水处理    中图分类号：X172   文献标志码：A   文章编号：1003-6504(2011)06-0104-05    微生物燃料电池（MFC）是一种新型的生物化学催化装置，它利用微生物

3、代替了阳极的金属催化剂，通过微生物自身代谢，实现了有机物的降解和电子的转移，使化学能直接转化为电能[1-2]。MFC具有能量转化效率高、安全无污染等优点，在能源短缺的今天，受到了广泛的关注。随着对 MFC 兴趣的不断提高，与之相应的研究也不断深入。对 MFC 的研究开始于 1910年，英国植物学家 Pouer 把酵母和大肠杆菌放入含有葡萄糖的培养基中进行培养而获得了电压[3]，20 世纪80年代，电子传递中间体成为研究的热点，这类介体的广泛应用，使MFC 的输出功率有了很大提高，90年代后，随着研究的进行，不通过介体而能够进行

4、电子传递的微生物被发现，就此开始了对无介体 MFC的研究[4]。在无介体 MFC 中，底物作为能量转化的来源，它的类型和利用效率影响着微生物的群落结构及生长速度，这就使之成为了决定产电效率高低的重要因素之一，因此底物分析对提高微生物燃料电池产电能力具有重要意义。    1 底物化学能的转化    贮存在有机物中的能量通过一系列脱氢反应被传递。自有机物脱下的氢最终可与分子氧、有机物或无机物等氢受体相结合，将释放出的能量转化为电能。有机物的氧化放能主要通过两条途径完成，即微生物的呼吸和发酵。在有氧呼吸的作用下，底物被氧化，释放出的

5、电子经过完整的电子传递系统，传递给最终外源电子受体———分子氧，从而生成水并释放出能量，有氧呼吸是获得能量最多的一条途径。无氧呼吸是无氧条件下，释放出的电子经过部分电子传递系统，最终的电子受体不是氧分子，而是氧化态的无机物或有机物。由于无氧呼吸所经过的电子传递系统要比有氧呼吸的短，因此获得的能量也比较少。在缺少外源电子受体时，许多微生物会以发酵的形式降解底物，在这一过程中，电子载体将释放出的电子直接传递给底物降解后的内源性中间产物，如丙酮酸、乳酸等，由于作为电子受体的中间产物是分解不彻底的有机物，获得的能量也低于有氧呼吸[5]

6、。    目前为止，微生物传递电子的形式大致分为两种：直接进行电子传递和利用介体进行电子传递，如图1。        在直接的电子传递中，某些细菌如 Shewanellaoneidensis MR-1[6]和 Geobacter sulfurreducens[6-7]能够利用细胞色素C将 CoQH2解离下来的电子从细胞内传递到电极上，或是利用菌毛将细胞内的电子传递给外界电子受体。通过此种方式，底物氧化所释放出的全部电子都可以被阳极所捕获，获得最大的库伦效率。但是高分子的底物大多不能被直接进行电子传递的产电菌所利用，而需要被转化

7、成低分子的有机酸或醇，降低了底物化学能的转化效率[8]。    在不提供外源介体的情况下，电子还可以通过底物分解产生的小分子物质传递到阳极表面。通常在阳极表面形成生物膜后，外层的微生物无法与阳极相接触，就很难利用细胞色素 C 或菌毛传递电子，这时底物的某些代谢产物就会作为还原剂完成阳极的氧化。这些介体主要由初级代谢产物和次级代谢产物构成。在初级代谢中，介体的产生依靠无氧呼吸和发酵两条        然而底物不能被彻底降解、硫酸盐还原菌只能利用小分子有机物等成为限制其化学能转化的因素。在发酵过程中，被降解的还原性代谢产物可以作为

8、介体将电子传递到阳极。由于微生物发酵的类型多样，其充当介体的代谢产物也不相同，如乳酸、乙酸、甲酸、乙醇和氢气等[5]。次级代谢产物也可作为低分子的末端电子受体将细胞内的电子传递到阳极表面，而且这种介体具有可逆性，在传递同时被再次氧化，进入下一轮氧化还原反应[9]。现已证明的在