微生物燃料电池中产电微生物的研究进展

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1、微生物燃料电池中产电微生物的研究进展谢 丽，马玉龙    宁夏大学，宁夏 银川 750021微生物燃料电池中产电微生物的研究进展谢 丽，马玉龙    宁夏大学，宁夏 银川 750021    摘 要：产电微生物向阳极转移电子的能力是影响微生物燃料电池功率密度的主要内因。文章从电子由细胞内传递至细胞表面，再从细胞表面转移至阳极2 个环节介绍了电子传递机制，着重从种类和各自的特点出发全面综述了 MFC 产电微生物的研究进展，最后提出了产电微生物在MFC 系统中进一步的研究方向。    关键词：微生物燃料电池；产电微生物；电子传

2、递机制    中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1002- 204X（2011）07- 0104- 04    随着人口的增长，社会和经济的发展，全世界范围内以不可再生资源（石油、煤和天然气）为主要能源的状况在未来将难以继续。人类面临能源危机的同时，还要面对因使用这些化石燃料对环境造成的破坏从而导致的全球气候恶化等影响。因此，开发和利用可再生能源已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分。    发现于 1911 年的微生物燃料电池（microbial fuel cell，简称MFC） 作为一种利用微生

3、物代谢产生电能的方法，在 20 世纪90 年代初开始受到关注，研究人员在 MFC 领域展开了大量的工作，并取得了显著成果。    目前，MFC 的研究还处于实验室阶段和小规模试验阶段，功率输出比较低，这与电池构型、电极材料、膜材料、产电微生物等多方面的因素有关，但产电微生物氧化有机物并向阳极传递电子的能力是影响 MFC电能输出的主要内因。因此，选择高效的产电微生物至关重要。    1 MFC工作原理    MFC 可以利用各种有机物、微生物呼吸的代谢产物、发酵产物、污水等作为燃料，通过微生物作用进行能量转换，把代谢产生的电

4、子传输到细胞表面上，然后电子从细胞表面通过电子传递中介体（由人工添加或微生物自身代谢产生）或直接接触转移到电池阳极，经外电路，阳极上的电子到达阴极，产生外电流；同时将产生的质子通过质子交换膜（PEM）传递到阴极室，在阴极与电子、氧气反应生成水，实现电池内电荷的传递，从而完成整个生物电化学过程和能量转化过程。图1为双室型微生物燃料电池的构造图。    2 MFC 产电微生物的电子传递机制    据研究发现产电微生物向阳极传递电子分2步走，第1步是电子在细胞内产生并向细胞表面传递；第2 步是电子到达细        胞表面后向

5、 MFC阳极传递。    2.1 由细胞内向细胞表面的电子传递    一些产电微生物可依靠其膜上的脱氢酶直接氧化小分子有机酸，释放电子给细胞膜上的电子载体，另一些产电微生物可氧化糖类等稍微复杂的有机物生成 NADH，然后在 NADH脱氢酶的作用下，电子从NADH转移至电子传递链，到达细胞表面的氧化还原蛋白[1]。    2.2 由细胞表面向 MFC 阳极的电子传递    产电微生物在细胞内氧化有机物产生的电子被传递至细胞表面后，被证实将会通过 2 种传递机制将电子传递到 MFC阳极上，1种是电子穿梭机制；1种是生物膜机制[

6、2]。    电子穿梭机制是微生物利用外加或自身分泌的电子穿梭体，将代谢产生的电子转移至阳极表面的方式。由于微生物细胞壁的阻碍，多数微生物自身不能将电子传递到阳极表面，需借助可溶性电子穿梭体充当中介体进行电子传递。常见的外加电子中介体包括中性红、蒽醌 - 2，6- 二磺酸钠（AQDS）、硫菫、铁氰化钾、甲基紫精以及各种吩嗪等。此外，一些产电微生物则可通过自身产生的电子穿梭体进行电子传递，如绿脓菌素、质体蓝素、小菌素、肠球菌素 012 和 2，6- 二叔丁基苯醌等少数几种物质。    生物膜机制是产电微生物在阳极表面聚集形成

7、生物膜，通过纳米导线或细胞表面直接接触，细胞内的氧化还原蛋白定量的传递他们代谢的电子到阳极，从而进行电子传递的方式，其不需要电子中介体。纳米导线的存在不仅能够使远离阳极的微生物把产生的电子传递给阳极，而且有证据表明还可以促使电子在微生物细胞之间，甚至微生物种间进行传递，然而这种参与细胞间电子传递的功能对电子向阳极转移的速率有何影响还不确定。有些微生物虽然没有纳米导线，但依旧能够实现电子从细胞表面向阳极的转移，即细胞膜与阳极直接接触进行电子传递。通过显微镜观察可知，尽管这些细胞没有纳米导线，但是存在凸起的小泡，这些小泡可能是

8、电子传递的接触点，细胞外膜的氧化还原蛋白（如细胞色素 C）在此接触点传递电子到阳极[3]。    3 MFC 产电微生物的研究进展    文献中出现的胞外产电微生物、阳极呼吸菌、电化学活性菌、亲电极菌、异化铁还原菌等均指产电微生物，但这些称谓均不合理、不科学。Logan 等提出以“Electricige