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1、微生物燃料电池及其应用研究进展 詹亚力 张佩佩 闫光绪 王嘉麟 郭绍辉 (中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室,北京102249)摘要:简单叙述了微生物燃料电池(ＭＦＣ)的基本结构及运行原理,从ＭＦＣ的阳极微生物、阴极结构等方面介绍了ＭＦＣ的发展现状和研究重点,分析了ＭＦＣ在替代能源、生物传感器和开发新型水处理工艺等方面的应用前景,指出进一步的研究重点应放在改善电极电化学性能、提高电池输出功率密度和降低电池成本等方面。 关键词:燃料电池;微生物;新能源;生
2、物传感器;水处理 中图分类号:ＴＭ911 45 文献标识码:Ａ 文章编号:0253-4320(2007)01-0013-05 微生物燃料电池(ＭＦＣ)是一种以微生物为阳极催化剂,将化学能直接转化成电能的装置。利用ＭＦＣ不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解,而且同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流,从而获得电能。因此,无论是利用ＭＦＣ输出电能的特点进行新型能源的开发,还是利用ＭＦＣ电流与水中有机物之间的定量关系进行新型污水水质检测方法的研究,以及利用ＭＦＣ的特殊环境对特殊性能的微生物进行驯化,对ＭＦＣ的研究均具有重要的理
3、论意义和应用价值。本文将从电池基本结构、微生物驯化和应用研究等方面对微生物燃料电池的研究现状和应用前景进行综述及分析。 1 基本结构和运行原理 与其他类型燃料电池类似,微生物燃料电池的基本结构为阴极池加阳极池。根据阴极池结构的不同,ＭＦＣ可分为单池型和双池型2类;根据电池中是否使用质子交换膜又可分为有膜型和无膜型2类。其中单池型ＭＦＣ由于其阴极氧化剂直接为空气,因而无需盛装溶液的容器[1-3],而无膜型燃料电池则是利用阴极材料具有部分防空气渗透的作用而省略了质子交换膜[2,4]。 ＭＦＣ的阳极材料通常选用导电性能较好的石墨、碳布和碳纸
4、等材料,其中为提高电极与微生物之间的传递效率,有些材料经过了改性[5]。阴极材料大多使用载铂碳材料,也有使用掺Ｆｅ3+的石墨[1]和沉积了氧化锰的多孔石墨[6]作为阴极材料的报道。 ＭＦＣ基本工作原理为[7]:①在阳极池,水溶液中或污泥中的营养物在微生物作用下直接生成质子、电子和代谢产物,电子通过载体传送到电极表面。随着微生物性质的不同,电子载体可能是外源的染料分子、与呼吸链有关的ＮＡＤＨ和色素分子,也可能是微生物代谢产生的还原性物质,如Ｓ2-和Ｈ2等[8]。②电子通过外电路到达阴极,质子通过溶液迁移到阴极。③在阴极表面,处于氧化态的物质(如氧气等
5、)与阳极传递过来的质子和电子结合发生还原反应。 2 阳极微生物的研究进展 2 1 微生物的筛选与分类 自20世纪70年代ＭＦＣ概念正式提出以来,微生物的筛选一直是ＭＦＣ的研究重点。目前,已用于ＭＦＣ的微生物根据其电子传递途径的差异可以分为2类:第1类微生物,如Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏｄｅｓｕｌｆｕｒｉｃａｎｓ、Ｐｒｏｔｅｏｕｓｖｕｌｇａｒｉｓｈ和Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉ[9]等,代谢产生的电子需要外源中间体的参与才能传递到电极表面;第2类微生物,如Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ[10]、Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａｐｕｔｒｅｆａ ｃｉｅｎｓ[11
6、]、Ｒｈｏｄｏｆｅｒａｘｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ[12]等,代谢产生的电子可通过细胞膜直接传递到电极表面。通常用第1类微生物接种的ＭＦＣ称为间接ＭＦＣ,用第2类微生物接种的ＭＦＣ称为直接ＭＦＣ。 2 2 微生物驯化与鉴定 ＭＦＣ研究中使用的微生物菌种大多为单一菌种,直接来自于微生物菌种库,而近年来的研究结果表明,直接用来自天然厌氧环境的混合菌接种电池,可以使电流输出成倍增加[1],且在阳极表面富集了优势微生物菌属[13]。因此,探讨微生物的驯化过程、底物性质与电池性能的关系及优势微生物鉴定是近年来ＭＦＣ研究的热点。 目前,微生物驯化
7、过程的常规操作是:在厌氧条件下,直接用天然厌氧环境中的污泥、污水或污水处理厂的活性污泥接种ＭＦＣ,将外电路连通后观察ＭＦＣ各种性能的变化,定期更换培养液,直到ＭＦＣ性能稳定。Ｋｉｍ等[14]尝试考察了接种体的预处理方式对混合菌接种的ＭＦＣ性能的影响。研究结果表明,如果接种体在加入到ＭＦＣ前先行除去产甲烷菌,然后接种,不利于ＭＦＣ功率的提高;而如果采用Ｒａｂａｅｙ等[15]开发的驯化方法,则可以提高ＭＦＣ的放电功率。 对ＭＦＣ富集的微生物进行鉴定,除必要的形态观察外,多直接采用16ＳｒＤＮＡ进行分析。研究结果显示,使用不同营养盐喂养的ＭＦＣ中的优势
8、微生物种属各不相同。使用河水喂养的ＭＦＣ中Ｂｅｔａｐｒｏ ｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ占主导地位(4
