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1、第43卷分析化学(FENXIHUAXUE)摇评述与进展第1期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2015年1月ChineseJournalofAnalyticalChemistry155~163藡蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥藡蕥DOI:10.11895/j.issn.0253鄄3820.140614蕥评述与进展蕥蕥藡蕥蕥蕥蕥蕥蕥蕥藡电化学活性微生物在微生物燃料电池阳极中的应用*张逸驰摇蒋昭泓摇刘颖(西北农林科技大学生命科学学院,杨凌711100)摘摇要摇微生物燃料电池是一种利用电化学活性微生物催化降解有机物的同时产生电能的新型产能装置。阳极电化学活性微生物特征及催化活性是影响微生物燃料电池产电效率的
2、关键因素之一。本文对应用于阳极上的电化学活性微生物的富集、来源、菌种的生理生化特征及产电能力等进行了综述。关键词摇微生物燃料电池;电化学活性微生物;异化铁还原菌;阳极呼吸菌;评述1摇引摇言微生物燃料电池(Microbialfuelcell,MFC)可利用污水中的有机物、人类和动物排出的废物、农作物的废弃秸杆等发电,具有降解污染物的同时进行产能的双重功能,作为一种新能源技术已引起中外研[1~5]究者们的极大兴趣,迄今已有百余年历史。由于输出功率较低,尚未实现有意义的大规模实际应[4,6,7]用。近年来,MFC的输出功率已提高3~4个数量级。在MFC的研究中,对用于阳极的产电微生物研究较为集中,富
3、集在阳极上的电化学活性微生物将有机物氧化用于代谢过程中,产生的电子经过外电路传递给阴极,在阴极与电子受体结合,这些氧化还原反应使产生的电子不断传递并在外电路中形成[8,9]电流。在目前的报道中,MFC阳极中用于产生电流的微生物有几种名词,如电化学活性微生物、胞外产电菌及阳极呼吸菌(Electrochemicallyactivebacteria,exoelectrogenicbacteriaandanoderespiringbac鄄teria)等。电极表面性质和结构影响细菌的产电机理和产电能力,本文中统称这类产电的微生物为电化学活性微生物。由于各物质在电极上发生反应时表现出各自不同的电化学活性特
4、征,以及不同产电微[10]生物与电极间表现出电子传递特征的差异性,目前发现的微生物与电极间电子传递主要有纳米导[2][11][12]线、细胞外膜蛋白及利用微生物自生中介体或外加中介体3种方式,完成微生物与电极间的电子转移。但常常几种方式同时作用,如图1所示。这类电化学活性微生物在利用电子给体进行氧化的过程中,不同的微生物对于电子给体用于自身细胞物质的合成与用于产电的比率是不相同的;同一种微生物对不同电子给体的作用也是不同的。如有些微生物能将绝大多数电子给体氧化而用于产电,最高比率可达90%以上,有些微生物则将大部分有机物用于同化过程而只氧化少部分电子给体(40%以下),可见电化学活性微生物在电
5、极表面的催化活性是直接与菌种本身对底物利用的特性相关。因此,了解各产电微生物的生理生化特性、筛选优势的产电微生物及分析不同菌种间的协同作用,对于进一步深入揭示微生物在阳极表面的电子传递机制及提高电化学催化能力为加速微生物燃料电池的实际应用具有重要意义。2摇电化学活性微生物的来源、富集、分离及鉴定有关电化学活性微生物在MFC中的研究主要有混合菌及纯菌种两类,纯菌种不但底物来源较窄而且操作要求非常严格,混合菌除了具有从周围环境中容易获得及对环境条件容易适应外,同时在操作上具有相对简单的特点,尤其是对底物的选择更加广泛,所以电化学活性混合菌在实际应用中表现出更加独特的优势。从环境中进行电化学活性微生
6、物的富集培养可采用三电极体系的半电池装置或应用摇2014鄄07鄄19收稿;2014鄄10鄄07接受本文系国家自然科学基金资助项目(No.21375107)*E鄄mail:lydiayliu@yahoo.com1摇56摇分析化学第43卷MFC装置体系,或者直接先筛选铁还原菌,再从中进一步筛选具有铁还原性的电化学活性微生物。另一方面,为更清晰地研究电化学活性微生物的具体产电机理,需要对群落中的优势菌株进行分离纯化,分离纯化后的菌株可作为理论模型菌利用其降解代谢的具体途径去探索其内部的产电机理。2.1摇电化学活性微生物来源、富集及群落特征环境中存在着大量电化学活性微生物,广泛分布在工业废水包括乳业的
7、粪肥、制作啤酒的废水、海底沉积物、厌氧活性污泥等自然环境中。目前,已有研究以厌氧颗粒污摇图1摇电化学活性微生物与电极间几种电子转泥、消化污泥、生活污水以及牛胃液等作为接种源,成功启移机理示意图动微生物燃料电池,得到的电化学活性微生物群落表现出Fig.1摇Schematicofelectrontransfermechanism不同的群落特征及不同的产电能力。对于从不同来源和不betweenelect
