微生物燃料电池技术发展及其应用前景.pdf

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1、第202190卷年第31月期成都大学学报(自然科学版)Vb1．29No．1JournalofChengduUniversity(NaturalScienceEdition)Mar．2010文章编号：1004—5422(2OlO)Ol一0007—04微生物燃料电池技术发展及其应用前景杨敬东，苟兴华，王跃华(成都大学生物产业学院，四川成都610106)摘要：微生物燃料电池可以借助微生物的催化作用直接将燃料(如有机酸，糖类等)的化学能转化为电能．某些类型的细茼具有将电子传递到细胞外并与外界电子受体接合的能力，可以用于

2、构建微生物燃料电池．微生物燃料电池的研究集中于产电细菌、电极材料和电池反应器构型等方面，同时，微生物燃料电池在废水处理、生物修复等方面具有广阔的应用前景．关键词：微生物燃料电池；MFC；废水处理；可再生能源中图分类号：哪!1．45文献标识码：A(如有机酸，糖类等)的化学能转化为电能拉】．人们对0引言MFC技术的研究已经有相当长的时间．1911年，英在未来几十年中，能源问题将极大地影响社会的国植物学家Potter首先发现酵母菌或大肠杆菌在厌经济发展和人类的生活方式，解决能源问题的方式之氧条件下可以产生电流，但此后

3、在该领域再没有重一是加大对可再生能源的研究与开发的力度⋯．利用大发现．20世纪90年代以后，由于电子穿梭介体的微生物代谢过程与电极反应相结合的微生物燃料电池使用，MFC的电流密度和功率有了很大提高，越来(microbialfuelcell，MrC)的研发为可再生能源生产和废越多的科研人员对此产生兴趣．另外，Geobaeter和弃物处理提供一条新途径．据分析，废水中含有大量的ShewaneUa菌属等代谢产生的电子可通过细胞膜直能量(BOD)，而目前污水处理仍以耗能较高的好氧曝气接传递到电极表面，不需要外加的介体，

4、从而在处理工艺为主，而利用厌氧甲烷发酵的处理污水工艺MFC领域取得重要突破l3】．因有机污染物浓度较低在经济上不可行且运行时间较1．1电子转移机制长，不仅对能源回收不利，还将消耗大量能源．同时，我微生物的电子转移机制大致是：微生物降解有国持续的城市化进程将使用于污水处理的经济成本大机物，产生电子并通过一组呼吸酶在细胞内传递，并幅上升，进而给经济、社会、环境带来不利的影响．MFC以ATP形式为细胞提供能量．电子进而被释放给最技术兼具厌氧污水处理和好氧曝气的特征，污水处理终电子受体(terminalelectron

5、aceeptor，TEA)，TEA得效率高，还可产生电能，有望成为下一代污水处理技到电子后，自身被还原．术，为水资源的可持续利用带来新契机．在最初的十亿年里，地球上的生命体在完全不MFC技术的应用前景正在不断拓展中．例如，含氧气的大气中进化，细菌进化出利用许多不同类将MFC阳极插入海底(河底、湖底)沉积物中，阴极型的电子受体的能力，其中一类具有能将电子传递置于临近海水中，则可收集到天然的、由微生物代谢到细胞外并与外界电子受体接合的厌氧菌，则可以产生的海底电流，这可为各类海洋监测仪器提供电用于构建MFC．源．此外

6、，MFC技术还可用于生物修复，例如在有高最近的研究发现了多种可以向细胞外直接转移浓度有机物污染的地点(如石油污染)，可置人MFC电子的细菌．这些胞外产电菌大多集中于两类异化阳极完成对有机物的氧化．金属还原菌属——Shewanella和Geobaeter．MFG电化学活性生物膜的群落分析显示，胞外产电菌的多样1微生物燃料电池产电技术性比以前预测的更多．但关于电子由细菌胞内传递MFC可以借助微生物的催化作用直接将燃料至胞外电子受体的机理目前人们还知之甚少．已知收稿日期：2OO9—12—16．作者简介：杨敬东(196

7、7一)，男，副教授，从事微生物学与生物技术研究．·8·成都大学学报(自然科学版)第29卷的研究结果表明，细菌通过两种机制将电子传递到胞极室与阴极室用质子交换膜(PEM)隔开，细菌在阳外：自身产生的中介体实现电子连移和纳米导线L4】．极上生长，氧化有机物并释放电子到阳极，同时释放纳米导线主要由Shewanella和Geobacter菌属产质子到溶液中．阴极通过曝气提供溶解氧与电子和生．Gorby等发现Shewaneila和Geobacter菌属具有质子反应．外部由导线和负载完成电路产生电能．同能导电的菌体表面丝状

8、附属物，他们将其称为细菌的时，可使用万用表与数据采集系统相连来测定电流“纳米导线”(见图1)．在实验中，研究人员使用传导扫及功率大小．描隧道显微镜(STM)，并用一个导电的(P【一Ir)尖端横许多可生物降解的有机物可用在MFC中，包括跨样品进行光栅扫描，从而检测丝状附属物的电导挥发酸、碳水化合物、蛋白质、酒精及难降解物质(如率．最终获得的电压一电流曲线显示出扫描的部分与纤维素)等．目前