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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,田沈仁杨秀山1,袁振宏2”(1.n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川町溶性有机废物和町再生生物质等原料萃取电能的装置，呦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匝要因索之…。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索等，底物的种类不同，电池的产电能力也会心在淞异。【大I此，有必要对这一系统屮底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。文巾详细阐述了底物的化学能
2、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J'底物的种类和浓度对电能转化的影响，提出「微生物燃料电池存在的问题和I.作方向，为提高电池的电能产最提供了思路。关键词：微生物燃料电池：底物；功率密度；污水处理屮图分类号：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)是一种新熨的生物化学催化装置，它利用微生物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了•的转移，使化学能肓•接转化为电能［1-2］.MFC具有能杲转化效率高、安金无污染等优
3、点，在能源短缺的今天,受到了广泛的关注。随若对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呦获得J'电压［3］,20世纪80年代，电了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电了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屮，底物作为能量转化的來源，它的类型和利用效率影响看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索之因此底
4、物分析对提高微生物燃料电池产电能力具有殖要意义。1底物化学能的转化贮存金令机物屮的能戢通过一系列脱氧反应被传递。自方机物脱下的氯最终对与分(氧、有机物或无机物等氧受体相结合，将释放出的能議转化为电能。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，释放出的电了经过完整的电了传递系统，传递给最终外源电子受体分了氧，从而生成水并释放出能最，右氧呼吸是获得能量最多的一条途径。无氧呼吸是无氧条件卜，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。山于无氧呼吸所经过的电(传递系统要比有氧呼吸
5、的短,因此获得的能戢也比较少。在缺少外源电孑受体时，许多微生物会以发酵的形式降解底物，在这一过程中，电了戦体将释放出的电C鬥接传递给底物降解后的内源性屮间产物，如丙酮酸、乳酸等，山于作为电了受体的屮间产物是分解不彻底的有机物,获得的能最也低于有氧呼吸［5］oII前为止,微生物传递电子的形式大致分为两种:直接进行电『传递和利用介体进行电了传递，如图1ococo阳1化学旋转化示意图.Fig.lSclieniaLicdiagramofthebioclectn)chcniicalenergyconversion在直接的电子传递中，某些细菌如Shewanellaoneide
6、nsisMR-1［6］和Geobactersulfurreducens［6-7］能够利川细胞色索C将CoQH2解离下來的电7从细胞内传递到电极上，或是利川菌t将细胞内的电犷传递给外界电了受体。通过此种方式，底物氧化所释放出的金部电/都可以被阳极所捕获,获得最大的库伦效率。但是高分了的底物大多不能被血接进行电了传递的产电菌所利用，而需要被转化成低分子的有机酸或醉，降低了底物化学能的转化效率［8］。在不提供外源介体的借况下,电/还可以通过底物分解产生的小分/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，就很难利用细胞色索C或菌毛传递电这
7、时底物的某些代谢产物就会作为还原剂完成阳极的氧化。这些介体丄要山初级代谢产物和次级代谢产物构成。在初级代谢屮，介体的产生依靠无氧呼吸和发酵两条途径也。在无氧呼吸中，介体主要有NO「、NCV、SO产、CO^、CO2以及延胡索酸和甘氨酸等，其中硫酸盐呼吸是最普遍的呼吸途径,底物脱下的电子最终由末端电子受体硫酸盐接受。SO广+8HPe-JS2-+4H2O然闻底物不能被彻底降解、硫酸盐还原菌只能利用小分j%•机物等成为限制其化学能转化的因索。在发酵过程屮，被降解的还原性代谢产物可以作为介体将电了传递到阳极。山于微生物发酵的类世多样，其充当介体的代谢产物也不相同，如乳酸、乙
8、酸、甲酸、
