细菌发电分析

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微生物发电

微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）是利用微生物将有机物中的化学燃料能直接转化成电能的装置一、技术原理最近几年, 生物技术已经表明, 这些小家伙对我们分外友好,实际土可能对我们有益。

其他方面的进展也表明, 微生物发电的潜力是很大的。

现在已经有基于生物电化学原理的传感器和电池等样机装置。

这些装置依靠细菌和面包酵母等其它微生物的功能, 通过产生电子流的过程使食物分解, 产生的电子则与氧起作用。

这种过程称为呼吸过程。

细菌发电的原理是让细菌在电池组里分解分子，以释放出电子向阳极运动产生电能。

在细菌发电期间，还要往电池里不断充入空气，用以搅拌细菌培养液和氧化物质的混合物。

但自然界中这种沉积物不多，因此细菌中的电子含量总是很饱满，它需要一个可以释放电子的途径。

如果把电极放在这种含铁的沉积物中，并把它连成一个圈，细菌就可以释放电量。

就这样产生了奇特的细菌电源。

科学家还发现有些可以产生电流的细胞如Geobacter在细胞外长有长长的、纤细的丝。

即细菌的这些细长的丝可能是它们纯天然的“电线”。

后来经过试验证明，电流确实流经这些细丝。

以前实验室的工作人员德里克拉乌里和其他科学们认为细菌只有靠着电极才可以发电，而这些长在细菌细胞外的细丝却说明细菌可以远距离发电。

这样成千上万个细菌就可以同时向一个电极发电，产生10倍甚至15倍于原来设想的电量。

二、历史细菌发电的历史可以追溯到1910年。

十八世纪,一意大利医生及物理学家伽凡尼在青蛙腿上发现了“动物电”, 从而把电与代谢过程联系了起来。

当年，英国植物学家马克•皮特首先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。

于是他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液里，成功地制造出世界上第一个细菌电池。

他把一个铂电极放入面包酵母或大肠杆菌勺培养液中。

这个电极作为负极, 产生负电势, 第二个电极是在不含微生物的培养液中作为正极用的。

波特尔直觉地认识到, 这种微生物燃料电池的电子是由微生物的食物降解产生的。

电活性微生物的研究现状与发展方向

电活性微生物的研究现状与发展方向随着现代科技的不断发展，微生物学的研究也在不断提升。

其中，电活性微生物作为近年来微生物学领域的研究热点之一，备受科学家的重视。

本文旨在介绍目前电活性微生物的研究现状以及未来的发展方向。

一、电活性微生物简介电活性微生物是一类能够对电能或电荷产生反应的微生物，可以在外界电场或电荷的作用下呈现出不同的活性与代谢行为。

这类微生物不仅普遍存在于自然生态环境中，而且有着广泛的应用前景，尤其是在微生物电化学、生物能源、环境污染治理等领域。

因此，电活性微生物的研究已经成为微生物学、环境科学、能源科学等多个领域的研究热点。

二、电活性微生物的研究现状1. 电活性微生物的分类和特征电活性微生物可以分为电化学菌和电化学受体两类。

其中，电化学菌主要包括醋酸杆菌属、硫氢化菌属和古菌属等，这些微生物可以将有机物和无机物转变为电能。

而电化学受体则主要包括铁还原菌和硝酸还原菌等，这些微生物则能将电荷转变为代谢活动，如能量代谢、废物降解等。

电活性微生物的特征主要有抗氧化应激机制、细胞外细丝产生、电荷转移、电生物学降解等。

2. 电活性微生物的代谢机制电活性微生物的代谢机制与普通微生物有所不同。

电化学菌主要是利用过氧化氢、氢气、乙酸等物质进行代谢，产生的电子通过细胞外导电细丝和膜合成ATP。

而电化学受体通过外源电子给予体内电位增加，从而促进代谢和废物降解。

此外，电活性微生物的电化学代谢机制还涉及到细胞表面蛋白、胞外多态性聚合物、微生物电解池等方面的研究。

3. 电活性微生物的应用电活性微生物的应用十分广泛。

在环境污染治理中，电活性微生物可以通过电生物反应技术或微生物燃料电池技术实现有害物质的转化和降解，如污水处理、土壤修复等。

在能源领域中，电活性微生物可以用于微生物发电、产氢、发酵等方面。

此外，电活性微生物还可以应用于制药、食品加工等领域。

三、电活性微生物未来的发展方向电活性微生物是一个富有潜力的研究方向，目前在后续的研究中，已经有一些新的发展方向。

细菌产电机制及其应用研究

细菌产电机制及其应用研究随着科技的快速发展，绿色、可持续、低碳、高效、环保等新兴概念应运而生，为能源产业的发展和改善提供了新的思路和方向。

在众多的研究领域中，细菌产电机制和其应用研究引人注目。

本文将分析细菌产电的原理、机制和应用前景，并结合实际案例进行探讨。

一、细菌产电的原理细菌产电，简而言之，就是指利用细菌的代谢过程在电极上产生电流。

在细菌代谢过程中，有些细菌能够利用有机物、无机盐、光能等能量来源，通过电子转移链，将生物质的化学能转化为电能。

细菌通过外泌物、细胞外附着聚合物等机械手段把电子转移至电极表面，这个过程是靠细胞呼吸代谢所产生的代谢物或氧化还原反应向电极上输运电子，最终形成电化学反应。

二、细菌产电的机制细菌产电是一种复杂而普遍的生物电化学现象，其机制主要包括细菌代谢过程、外泌物、附着聚合物和电解质等组成部分。

细菌主要通过三种机制来实现电子传递。

1. 直接电极呼吸。

“直接电极呼吸”或称“直接电化学反应”，是指细菌所产生的代谢物或氧化还原反应直接将电子输运至电极上，例如产生电荷的细胞呼吸产物将电子传递给电极的过程；2. 间接电极呼吸。

“间接电极呼吸”或称“间接电化学反应”，是指细菌物质的氧化还原反应作用于导体材料表面或导体材料被细胞表面所吸附导致其电极上的电位发生变化，从而使其成为电化学反应发生的催化剂；3. 膜转化。

细菌将其代谢产物通过外泌物或导体材料附着聚合物形成有效的电子转移，这些聚合物被称为细菌细胞外聚合物（EPS），它们能够扩大细菌的代谢能力，将代谢物转移至导体材料表面上，并通过代谢物分解，从而产生多种代谢物和电子转移产物。

EPS的主要成分是聚糖、蛋白质、核酸、脂质等，能够在导体表面上形成聚集和电荷转移。

三、细菌产电的应用前景细菌产电的应用前景，包括许多领域：环境治理、生物能源、生物传感器、分子电子学以及能源存储等方面。

1. 环境治理。

目前，环境污染难题依然是各国面临的紧迫问题之一。

微生物燃料电池的设计与性能分析

微生物燃料电池的设计与性能分析微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是利用微生物催化作用将有机质转化为电能的一种新型生物能源技术。

与传统燃料电池相比，MFC在能源转化效率和环境适应性等方面具有更大的潜力。

本文将结合实际案例，介绍MFC的设计原理和性能分析方法。

一、MFC的设计原理MFC的基本设计原理是将微生物催化剂与电极材料置于合适的生物反应器中，利用微生物在催化有机物降解过程中的电转换作用，将有机物质转化为电能。

MFC主要包括阳极、阴极和离子交换膜等组成，通过阳极上有机物质的降解，产生质子和电子，并将电子通过外部电路传输至阴极。

在阴极上，电子与氧气还原生成水，并释放出能量，从而实现电能转换。

具体来说，MFC的设计原理主要由以下3部分组成：（1）阳极：阳极是MFC中能量转化的关键部分，也是微生物催化剂的定位点。

阳极材料对MFC的性能影响非常大，通常采用具有高比表面积以及良好导电性的材料，如碳纳米管、碳纤维等。

此外，阳极质地对微生物附着也是至关重要的，当阳极表面结构过粗糙或过光滑时，都会影响到微生物的定植，进而影响到电流输出。

（2）微生物催化剂：微生物催化剂是MFC的核心部分，是通过其催化有机物质转化为电能的过程实现电能转换的。

微生物的种类和数量对MFC的性能同样具有重要影响，一般选择好的细菌或真菌作为催化剂，具有较快的电子转换速度和较高的能量转化效率。

（3）离子交换膜：离子交换膜是MFC中阴极和阳极之间的隔膜，主要用于离子传输和防止微生物漂移。

合适的离子交换膜能降低电流输出内阻，提高MFC的输出效率。

以上是MFC的设计原理，根据具体需求和实际情况，可进行不同程度的设计和改进。

二、MFC的性能分析方法MFC的性能分析是MFC研究中非常重要的一部分，其主要目的是评估MFC性能，并通过不同实验手段探究MFC性能的提升方式。

（1）发电性能分析：发电性能是最基本的MFC性能参数之一，通常通过测量MFC输出电压、输出电流等电学参数来评估MFC的发电性能。

用细菌发电

◎文/山东省莒南县第八中学史峰自从人类社会进入到电气化时代以来，电池这种“可移动电源”就成为我们生活中的必需品。

传统的“化学电池”，将一些化学物质装在容器里，通过这些物质之间的反应产生电能，比如碱性电池、锂电池、锰干电池、磷酸铁锂电池等。

但化学电池会严重污染环境：一节5号干电池造成的污染能让1平方米的土地绝收；一粒纽扣电池可污染60万升水，令人触目惊心。

能否生产一种对环境无污染的电池呢？有哦，五花八门的细菌电池已经掀起了一场电力革命。

根据这一发现，科学家制造出用细菌发电的“细菌电池”，由于“细菌电池”发出的电能很小，没有实用价值，所以没有广泛推广。

1984年，美国科学家筛选出一种发电效能高许多的细菌，并利用这种细菌设计出了可以在太空飞船上使用的“细菌电池”，想让这种细菌在分解宇航员尿液的过程中产生电能，一举两得。

但由于这种“细菌电池”放电能力不足，“细菌电池”的应用研究依然没有取得完全成功。

1990年，“细菌电池”的应用研究取得了重大突破。

英国的“细菌电池”专家在糖水中添加了一些芳香类化合物作为催化剂，并不断往电池水液里填充氧气，让发电细菌和它们需要分解的物质充分接触，提高氧化能力，从而大大提高了细菌产生电能的活力，“细菌电池”的电能输出量大增，完全达到了实用标准。

更让人兴奋的是，细菌电池是绝对的“绿色电池”，它的废弃物对环境不但没有丝毫的危害，反而有益——如果把发电细菌的分解物由糖换成锯末、秸秆、落叶等废有机物，细菌电池在输电的同时，还净化了环境。

科学家利用藻类细菌发电——新型金电极

科学家利用藻类细菌发电——新型金电极2016-04-23 13:09来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部藻类细胞发电示意图“我相信我们是第一个利用活体藻类细胞发电的研究小组”课题负责人WonHyoung Ryu信心十足的说。

他们刚刚在《纳米快报》上发表了相关论文。

斯坦福大学研究小组专门针对活体藻类细胞，开发了一种独特的超细纳米金电极，他们将电极轻轻刺穿细胞膜，不影响细胞的生存。

当细胞进行光合作用时，电极累积了电子，研究人员获得了微小电流。

“我们现在仍处在研究阶段，”WonHyoung Ryu说。

“我们先处理单细胞，证明的确能收集到电子。

”植物利用光合作用将光能转化为化学能存储在他们体内。

该过程发生在叶绿体，在叶绿体中，水被分解成氧气，质子和电子，阳光穿透叶绿体将电子激发到高能态，然后被蛋白质迅速捕获。

随着捕获的电子增多，蛋白质转变为糖类储存下来。

实验中，研究人员截获了受激发处于高能态的电子，并通过插入到藻类细胞叶绿体内的金电极，产生一段微小的电流。

“这种发电过程不会产生二氧化碳，唯一的副产物是氧气和质子”，WonHyoung Ryu说：“这可能是最清洁的发电方式，现在的问题是经济上是否可行。

目前他们从每个细胞收集的电流只有1pA，因此需要1万亿只细胞才能获得1节AA电池的储电量。

另外，细胞寿命有限，1小时后就会死亡，如果电极电流泄露，还会加速细胞的死亡。

我们下一步的工作是调整电极，延长电极寿命并增加其生物适应性。

”理论上讲，这种发电方式的效率比直接燃烧生物燃料高很多。

直接燃烧法只利用了约3-6%的太阳能，此研究中约20%。

如果控制调整得好，可以接近100%，而目前太阳能电池的效率约20-40%。

“下一阶段的研究内容是选择叶绿体更大的生物，调整电极以便收集更多电子。

只要生物的寿命足够长，电极的收集效率提升，我们将进行规模化试验。

”。

人教部编版八年级语文上册说明文阅读理解专题训练

人教部编版八年级语文上册说明文阅读理解专题训练考题示例：1、“细菌发电”共有三点优势，请结合全文，用三个字概括：、、。

2、文中划线句运用了什么说明方法？有什么好处？3、语段中“我国的石拱桥几乎到处都有”一句中“几乎”一词的作用是什么？知识详解一、说明对象及其特征例1：○1生物学家预言，21世纪将是细菌发电造福人类的时代。

②说起细菌发电，可以追溯到1910年。

英国植物学家利用铂作为电极放入大肠杆菌的培养液中，成功地制造出了世界上第一个细菌电池。

1984年，美国科学家设计出太空飞船使用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌。

到了80年代末，细菌发电有了重大突破，英国科学家让细菌在电池组里分解分子，释放电子向阳极运动，从而产生电能。

操作时还在糖液中添加某些芳香化合物作为稀释液，来提高生物系统输送电子的能力。

与此同时，还要往电池里不断地充入空气，用以搅拌细菌培养液和氧化物质的混合物。

据计算，利用这种细菌电池发电，其效率可达40%，远远高于现在使用的电池的效率，且能持续数月之久。

即使这样，还有10%的潜力可挖掘。

③利用细菌发电原理，可以建立较大规模的细菌发电站。

计算表明，一个功率为1000千瓦的细菌发电站，仅需要10立方米体积的细菌培养液，每小时消200千克糖即可维持其运转发电。

这是一种不会污染环境的“绿色电站，而且技术发展后，完全可以用诸如锯末、秸秆、落叶等废有机物的水解物来代替糖液。

因此，细菌发电的前景十分诱④现在，各个发达国家各显神通，在细菌发研究方面取得了新的进展。

美国设计出一种综合细菌电池，里面的单细胞藻类可以利用太阳光将二氧化碳和水转化为糖，然后再让细菌利用这些糖来发电。

日本科学家同时将两种细菌放入电池的特种糖液中，让其中的一种细菌吞食糖浆产生醋酸和有机酸，而让另一种细菌将这些酸类转化成氢气，由氢气进入磷酸燃料电池发电⑤人们还惊奇地发现，细菌还具有捕捉太阳能并把它直接转化成电能的特异功能。

生物质发电系统热力特性分析

生物质发电系统热力特性分析随着能源需求的不断增加以及能源资源的有限性，人们开始寻找更加清洁、可持续和普遍的能源供应方法。

生物质发电系统因其利用可再生资源、低碳排放、成本相对较低等优点而备受关注。

在生物质发电系统中，热力特性是至关重要的因素之一，决定着系统的效率和节能性。

本文将从以下三个方面分析生物质发电系统热力特性。

一、热力特性生物质发电系统热力特性涉及到能量转化效率、热平衡、热耗散等方面。

其中，能量转化效率是最重要的一个指标。

生物质发电系统能量转化效率主要反映了生物质燃烧产生的热能转化为电能的程度。

在生产实践中，热能转换效率通常是发电系统的主要评价指标。

为提高能量转化效率，需要保证生物质燃烧的连续性和充分性，减少二次燃烧以及烟气的散失。

热平衡是指在生物质发电系统中热量的平衡状况。

正常情况下，生物质燃烧过程中产生的热能会通过管道或者燃气的方式传递到蒸汽发生器，进而转化为机械能。

然而，如果发生热平衡失调，燃料达不到完全燃烧，热量就会流失。

因此，在生物质发电系统运行的过程中，保持热平衡至关重要。

热能散失则是指在生物质燃烧运作过程中，部分热量散失到环境中造成的能量损耗。

热能散失的情况会导致生物质发电系统的效率下降，为保证生产效益，应尽量减少热能散失。

二、影响生物质发电系统热力特性的因素1.燃烧参数生物质在发电系统中主要通过燃烧释放出热量，从而向蒸汽发生器提供能量。

因此，燃烧参数对生物质发电系统的性能起着至关重要的作用。

燃烧参数包括燃料温度、燃料氧含量、燃料含水量等多个方面。

高燃料温度和高氧含量会产生更高的能量输出，但需要考虑到燃烧过程对设备的影响。

同时，高含水量的燃料可能会导致燃烧效率受影响。

2.发电系统结构生物质发电系统是由多个设备组成的系统，包括燃烧器、蒸汽发生器、涡轮发电机、废气处理系统等。

这些设备的结构和参数会影响生物质发电系统的热力特性。

例如，废气处理系统的效率直接影响了生物质燃烧产生的废气是否达到排放标准，对环境保护至关重要。

细菌发电清洁能源新出路等

细菌发电清洁能源新出路等作者：暂无来源：《发明与创新·中学生》 2012年第8期细菌发电清洁能源新出路英国利兹大学的科学家近日表示，细菌可以用来发电，微生物可以使用光或氢气作为燃料而产生电流。

这种能源可以作为实际应用，清洁能源有望变得廉价。

专家希望能够创造出高效的生物燃料电池，这种电池将利用细菌作为发电的介质。

利兹大学的科学家决定把重点放在细菌酶的研究上，这些分子可以使用光或氢气来产生电能，而不像其他生物燃料电池中的分子使用葡萄糖作为动力源。

此项研究由利兹大学生物科学学院的专家拉尔斯·杰尤肯博士负责，新的研究将多个研究领域的先进理念相结合，包括表面物理学、胶质和有机化学、膜生物学和电化学。

他们的目标是创建可以总体控制生化反应的电极，生化反应需要在生物燃料电池内进行，使电池产生能量。

生物芯片探知药效新加坡生物工程和纳米技术研究所发布消息，该机构成功研发出一种名为“液滴阵列”的微型生物芯片，可探测药物对肿瘤干细胞的医疗效果，帮助更高效地筛选抗癌药物。

据悉，传统探测方法需要最少2500个至5000个细胞进行分析，而微型生物芯片只需要提取500个细胞进行筛选。

“液滴阵列”的成功研发象征着纳米技术和芯片实验在生物工程方面取得重大突破，这一成果将有效加速抗癌药物的筛选和发展。

能人？懒人？一扫大脑即可知美国科学家近日表示，对研究对象脑部扫描显示，能人和懒人的大脑在三个具体的区域会有所不同。

为了获得奖赏而愿意努力工作的人们，在其脑部的叫作纹状体和皮层的部位，存在更多的对神经发出信号的化学物质多巴胺。

这两个区域都在与报酬奖励关联的感觉和动机，导致个体行为发生变化方面，发挥着重要作用。

然而在为了报酬而努力工作方面稍显被动的“懒人们”脑部，其“前脑岛”区域存在更高含量的多巴胺。

而这一部位与情绪和危机感有关，因此，通过脑部扫描能鉴别能人和懒人。

微生物燃料电池的产电代谢及菌群解析

微生物燃料电池的产电代谢及菌群解析目录1. 绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 微生物燃料电池的基本原理概述 (1)1.3 关于产电菌呼吸作用的简述 (2)1.4 阳极室产电菌的电子传递机制 (3)1.4.1 细胞色素传递机制 (3)1.4.2 纳米导线传递机制 (4)1.4.3 电子介体穿梭机制 (5)1.5 阳极微生物的代谢过程及群落 (6)1.5.1 阳极微生物的代谢过程 (6)1.5.2 阳极微生物群落的研究进展 (7)1.6 课题研究意义与内容 (8)1.6.1 课题的研究目的及意义 (8)1.6.2 本课题研究内容 (8)2. 实验材料与方法 (9)2.1 试验装置 (9)2.2 实验废水与接种污泥 (10)2.3 实验指标测定方法 (11)2.3.1 电学相关物理量的测定和计算 (12)2.3.2 其他指标的测定 (12)2.3.3 微生物的测定方法 (15)3. MFC的启动、优化及产电与微生物代谢的耦合关系解析 (21) 3.1 反应器的启动及基本的条件的优化 (21)3.1.1 反应器的启动 (21)3.1.2 浓度、温度对MFC的产电性能的影响 (23)3.2 微生物代谢与产电之间的耦合关系 (26)3.3 产电与氧化还原电位（ORP）之间的关系 (26)3.4 小结 (33)4. MFC中阳极室中的微生物分析 (34)I4.1 电极表面生物膜的形态分析 (34)4.2 MFC阳极室及种泥的微生物群落特征分析 (35)4.2.1 PCR-DGGE (38)4.2.2 测序结果分析 (40)4.3小结 (39)5. 混合菌MFC产电机制的探讨 (40)5.1 阳极室底泥及与生物膜对产电贡献的比较分析 (40)5.2 三维荧光对阳极溶液中的物质进行分析 (42)5.3 微生物在MFC中进行胞外电子传递的作用研究 (46)5.4 小结 (48)6. 结论 (49)致谢 (50)参考文献 (52)附录攻读硕士期间发表论文 (67)II1. 绪论1.1 研究背景当今社会经济发展迅猛，能源消耗日益严峻。

细菌电化学分析方法研究与应用

细菌电化学分析方法研究与应用细菌是一类微生物生物体，其存在具有重要的生态学和生物学意义。

然而，细菌也可能引发各种疾病，并对环境造成污染。

因此，对细菌的准确监测和快速检测尤为重要。

近年来，细菌电化学分析方法的研究与应用逐渐受到科学家们的关注。

细菌电化学分析方法是利用电化学技术对细菌进行检测、鉴别和定量分析的一种新兴方法。

相比传统的生物学检测方法，细菌电化学分析方法具有快速、灵敏、低成本等优点。

在细菌电化学分析方法中，电化学传感器是核心组成部分。

电化学传感器通常由电极、接口层和生物识别体等组件构成。

电极作为接触细菌的部分，可以采用不同材料制备，如玻碳电极、金电极等。

接口层用于增强电生物学信号的传递效率和放大信号，常用材料有纳米颗粒、聚合物膜等。

生物识别体负责与细菌特异性结合，并产生电生物学信号。

常用的生物识别体包括抗体、DNA探针、细胞膜等。

细菌电化学分析方法的应用领域广泛。

首先，在食品安全领域，细菌污染对人类健康构成潜在威胁。

通过细菌电化学分析方法，可以快速检测食品中的细菌污染情况，例如沙门氏菌、大肠杆菌等。

这种方法不仅具有高效和准确性，还可以对食品加工过程中的卫生控制提供支持。

其次，在环境监测领域，对水体和土壤中的细菌进行准确快速的检测具有重要意义。

典型的例子是对海洋油污染物的监测，通过将具有亲油性的微生物固定在电极表面，可以迅速检测到微量的油污染物。

此外，细菌电化学方法还可以用于监测空气中的致病菌，如结核分枝杆菌等，为公共卫生领域提供了一种快速、无损害的检测手段。

此外，细菌电化学分析方法在生物医学领域也有广泛的应用潜力。

细菌感染是许多疾病的主要原因之一，包括呼吸道感染、尿路感染等。

通过细菌电化学方法可以实现对临床标本中细菌的快速检测和鉴定，为医生提供及时的诊断结果，并指导后续的治疗策略。

总的来说，细菌电化学分析方法具有快速、灵敏、低成本等优势，为细菌监测和检测提供了新的手段。

随着电化学技术的进一步发展和传感器设计的完善，细菌电化学分析方法在食品安全、环境监测和生物医学等领域的应用前景非常广阔。

生物燃料电池中微生物作用分析

生物燃料电池中微生物作用分析生物燃料电池是一种利用微生物催化和转换生物质废弃物产生电能的新型能源技术。

它与传统的燃料电池相比，具有低成本、高效率、环保等优点。

微生物在生物燃料电池中起着至关重要的作用，包括废弃物降解、电子转移、阴阳极反应等。

生物燃料电池中微生物的作用主要通过微生物代谢活动来实现。

首先，微生物降解废弃物为电子供体，从而产生可溶解有机物（DSS）。

微生物如细菌、藻类和真菌能够分解废弃物中的有机物质，释放出电子和底物。

这些底物既可以是废弃物中的碳水化合物、脂肪酸和氨基酸，也可以是微生物自身产生的代谢产物。

其次，微生物在电子转移方面起到关键作用。

在生物燃料电池中，废弃物降解产生的电子需要被转移到电极表面，才能产生电流。

微生物通过细胞外酶和电子传递物质来实现电子转移。

酶的作用是将底物氧化、还原为电子，而电子传递物质则能够将电子从细胞内传递到电极表面。

常见的电子传递物质包括细胞外染料、电子导体和电子转移链。

微生物还参与生物燃料电池的阴阳极反应。

在生物燃料电池中，阴极和阳极之间发生氧还原反应，产生电流。

阴极反应是还原反应，微生物通过将氧气还原成水来释放电子；阳极反应是氧化反应，微生物将废弃物中的有机物氧化成二氧化碳和其他无机物。

这些反应需要微生物的参与与调节，以保持阴阳极反应的平衡和稳定性。

微生物在生物燃料电池中的作用不仅限于电子转移和废弃物降解，它们还与电池的性能和稳定性密切相关。

微生物的生长和代谢状态对电池的性能产生直接的影响。

因此，研究微生物种群结构、代谢途径及其相互作用对于进一步提高生物燃料电池效率至关重要。

研究人员发现，微生物种群结构与生物燃料电池的性能密切相关。

不同的微生物群落具有不同的代谢特征和生物功能，它们对废弃物的降解能力和电子转移效率各不相同。

因此，通过调控微生物群落结构，选择具有高效降解废弃物和电子转移效率的微生物，能够提高生物燃料电池的性能。

微生物代谢途径对于生物燃料电池的效率也有重要影响。

微生物燃料电池在环境污染治理中的应用分析

微生物燃料电池在环境污染治理中的应用分析微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）近年来成为环境治理中的一种新兴技术，可以将废水和废气等有机物质转化为电能。

相比于传统的处理方式，微生物燃料电池具有高效、可持续等优势，并且可以有效减少环境污染。

本文将从微生物燃料电池的工作原理、应用场景和优势分析三个方面，深入探讨其在环境污染治理中的应用前景。

一、微生物燃料电池的工作原理微生物燃料电池是一种通过微生物进行氧化还原反应来生成电能的新型能源装置。

它利用微生物为媒介将有机物质转化为电能，整个过程可以分为两个步骤，即底物氧化和电子传递。

在微生物的作用下，有机物质在阳极处被氧化成二氧化碳和水，同时放出电子和质子。

电子通过外电路流到阴极处，与空气中的氧气和电子、质子结合形成水，放出电能。

而质子通过离子交换膜运输到阴极处。

二、微生物燃料电池的应用场景微生物燃料电池可以广泛应用在污染源的处置、废水处理、环境监测等方面。

下面我们分别来具体探讨。

1. 污染源的处置微生物燃料电池可以转化污染源中的有机物质并生成电能，可以直接应用于废水、废气等较难处理的污染源中。

其中，废水是微生物燃料电池应用的主要领域。

废水中含有大量有机物质，通过微生物燃料电池的作用，可以直接将有机物质转化为电能，从而实现废水的治理和能源的生产。

2. 废水处理微生物燃料电池可以应用于各类废水的处理，对于含有高浓度有机物质、氨氮等难以处理的废水具有特别的优势。

在污水处理工艺中，微生物燃料电池能够实现异化反应和好氧反应的同步进行，加快溶解有机物质，提高处理效率。

3. 环境监测通过微生物燃料电池收集废水的信息，还可以用于监测环境中的污染物。

微生物燃料电池可以收集有机物质和氨氮等污染物的信息，通过监测电流、电势等参数的变化，可以得到废水中污染物的含量以及类型等信息，从而实现对废水污染的实时监测。

三、微生物燃料电池的优势分析1. 微生物燃料电池具有高效的转化效率微生物燃料电池不仅可以实现有机废物的转化，同时也可以生成电能，从而降低了处理成本。

微生物燃料电池的原理及应用分析

微生物燃料电池的原理及应用分析引言微生物燃料电池是一种将微生物代谢产物直接转化为电能的装置，通过在微生物和电极之间进行电子传递来生成电流。

微生物燃料电池的原理是利用微生物在存在外源电子受体的条件下，将有机物氧化成无机物的同时释放电子。

本文将探讨微生物燃料电池的原理，以及它在能源领域和环境保护中的应用。

微生物燃料电池的原理微生物燃料电池是基于微生物代谢活动与电化学反应相结合的技术。

其原理基于以下两个过程：微生物催化有机物的氧化产生电子，电子通过外部回路流向另一电极氧化还原反应。

微生物燃料电池可以分为两种类型：厌氧微生物燃料电池和好氧微生物燃料电池。

厌氧微生物燃料电池厌氧微生物燃料电池是利用厌氧微生物在无氧条件下进行代谢并将有机物氧化为无机物，产生电子的同时生成甲烷、氢气和二氧化碳等。

这些电子通过电化学反应在电极上进行氧化还原反应，转化为电流。

厌氧微生物燃料电池常用的微生物有酿酒酵母、硫酸盐还原菌等。

好氧微生物燃料电池好氧微生物燃料电池是利用好氧微生物在有氧条件下将有机物氧化为无机物，并通过电子传递到电极上进行氧化还原反应，产生电流。

好氧微生物燃料电池中常用的微生物有细菌、藻类等。

微生物燃料电池的应用微生物燃料电池具有许多潜在的应用领域，以下是其中的几个重要应用。

能源领域微生物燃料电池可以作为一种新型的可再生能源技术，用于发电和电能储存。

其优点包括：利用废水或废弃物作为燃料，无二氧化碳排放，具有高效能转换率。

微生物燃料电池可以应用于生活污水处理厂、沼气发电厂等能源回收领域。

环境保护微生物燃料电池可以有效地将有机废水中的有机物降解为无害的无机物，并将其转化为电能。

这种技术既能处理废水，又能产生电能。

微生物燃料电池在环境保护和废水处理中具有潜在的应用前景。

传感器与电子设备微生物燃料电池可以作为传感器和电子设备的能量供应装置。

由于微生物燃料电池具有较长的寿命和稳定性，可以供应微型传感器和无线电子设备长期的电能，无需更换或充电电池。

生物发电及其应用——通过微生物利用生物能量

生物发电及其应用——通过微生物利用生物能量生物发电是指利用生物体内的化学能或光能等进行发电的过程。

随着环境保护和可持续发展意识的增强，生物发电逐渐成为一种新兴技术，其应用范围也越来越广泛。

本文将介绍生物发电的基本原理和应用领域，以及未来发展趋势。

一、生物发电的基本原理生物发电是利用微生物体内氧化还原反应的能量转化为电能，主要包括微生物燃料电池和微生物电化学池两种形式。

微生物燃料电池是一种通过微生物将有机物质分解成电子传输的电池，其基本原理是通过微生物通过酶促使细胞内的有机物质氧化还原反应形成电子，电子经过电极电化学反应跨越电势差，通过外电路传递电子进而得到电能。

微生物电化学池的原理与微生物燃料电池类似，但其不同之处在于电极和微生物之间有外加电压和电路控制，同时也可能通过光合作用和颗粒物质的沉积转化为电子传递。

微生物电化学池适用于多种能源转换场景，例如海洋、土壤和废水处理等领域。

这种技术具有成本低、效率高、环保等特点。

二、生物发电的应用领域生物发电技术广泛应用于生物医学、工业废水、环境监测等领域。

生物发电设备的投资建设可减少较多的二氧化碳排放和化石燃料的使用，从而减少对环境的污染，更好的促进了可持续发展。

生物发电在海洋加固、土壤修复、工业废水处理等领域的应用也日渐增加。

尤其在生物医学领域，生物发电技术已被应用于人体内部的检测和治疗。

例如糖尿病、癌症等疾病的早期诊断，就可以利用生物发电技术，对人体液体进行电化学分析。

这种检测方法不仅更精确，而且费用低廉，已经成为一种新的生物诊断手段。

三、未来发展趋势随着生物发电技术的不断发展和人们对环境保护和可持续发展的认识不断提高，未来生物发电技术将变得更加成熟和广泛。

新型生物发电设备将更加高效、环保、经济，有望成为世界上最先进的发电方式之一。

同时，未来生物发电技术的研究将更加深入，包括微生物基因筛选和修饰、电极材料改进等方面的研究，这些技术可以使生物发电设备的效率和稳定性更高，从而使其在实际应用中更有竞争力。

产电微生物菌种的筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究共3篇

产电微生物菌种的筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究共3篇产电微生物菌种的筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究1产电微生物菌种的筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）是一种利用微生物代谢机理将有机物质转化为电能的新型能源系统。

其中，产电微生物菌种是MFC能量转换的关键。

因此，如何筛选出高效稳定的产电微生物菌种是MFC研究的重要内容。

以往很多研究表明，厌氧微生物普遍具有较高的产电效率。

而在MFC中，产电微生物菌群主要为厌氧菌、光合菌和其他杂菌。

其中以革兰氏阴性菌为主，如属于葡萄球菌、电酶菌、拟杆菌和波菜等。

但不同的MFC反应器和底物种类，对产电微生物的筛选结果有所差异。

常见的产电微生物筛选方法包括生物量、电压和电流测量等。

其中，生物量测量是一种原始有效的筛选方法，其利用溶液中的菌落计算生物量并与电性能对比。

电压测量可以通过对MFC系统产电效率的监测，以得出产电微生物种类、数量及相应的电性质。

电流是另外一种用于评估产电微生物表现的方法，其中电流密度可以用来反映MFC的产电效率。

在自然界生物多样性的基础上，研究目前主要而致力于从环境中寻找更适用于MFC的菌种。

同时，在经过了长时间的筛选、培养和优化产电条件后，将产电微生物菌种应用到MFC中，能有效的提高MFC的产电性能和稳定性。

目前对于产电微生物的分离、鉴定和筛选研究已经开展了多年，但在MFC燃料背景下，针对其应用的研究还比较不足。

近年来，实际应用上的一个主要问题是：如何充分利用一定的底物来获得高效的产电性能。

因此，合理筛选和开发合适的产电微生物菌群非常重要。

在已有的实验数据和经验基础上，可以通过利用生物技术手段来筛选和改造菌种，进而找到更加适用于新型无底物MFC研究的产电微生物菌种。

同时，还可通过建立优化的发酵和反应器设计，加强对产电微生物的培养和筛选，进一步提高MFC的产电性能。

总之，对于产电微生物菌种的筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究，在未来的研究中将会极具前景。

微生物产电呼吸最新研究进展

应用与环境生物学报 2010，16 ( 3 ): 445~452Chin J Appl Environ Biol=ISSN 1006-687X2010-06-25DOI: 10.3724/SP.J.1145.2010.00445随着能源短缺和环境恶化等问题的加剧，废弃生物质能的研究和开发利用受到普遍重视. 微生物燃料电池（Microbial fuel cell ，MFC ）是利用微生物为阳极催化剂，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的理想装置. MFC 具有燃料来源多样、操作条件温和、经济、无污染的强大优势. 特别是Logan 等同步微生物产电和污水生物处理的研究[1~3]同时实现了有机废弃物处理和清洁电能生产，使MFC 技术成为能源与环境领域的研究热点.产电微生物（Electricigens ）及其产电机制是MFC 系统的核心要素，相关研究对于电极材料改造和MFC 产电性能提高具有重要的理论和实践意义. 早期的MFC 利用发酵型微生物产电；随后的研究中，添加外源介体（如中性红、硫堇、各种吩嗪等），加快了其产电速率，但介体易随基质更新而损失，需要持续添加，且大多为有毒的杂环类化合物，因而有介体MFC （Mediated-MFC ）实用价值较低；1999年，Kim 等首次发现Shewanella putrefacien 具备直接产电的能力，无需外加介体即可驱动电池持续产电[4]，极大地推动了无介体（Mediator-less ）MFC 的发展. 然而，发酵型微生物和Shewanella 菌均不能够完全氧化有机物，产电效率较低，限制了其在MFC 中的应用. 近期产电微生物的发现为MFC 的研发注入了新的活力，使MFC 的实际运用成为可能. 2006年，Lovley 首次指出产电微生物在MFC 中采用一种新型呼吸产能方式——微生物产电呼吸（Microbial electricigenicrespiration ）[5]，从而从根本上拓展了MFC 的内涵. 微生物产电呼吸是指厌氧条件下微生物彻底氧化有机物，产生的电子由呼吸链直接传递至电极表面产生电流，同时微生物获得能量支持生长[5~6]. 产电微生物采用产电呼吸产能具有许多优点：1) 彻底氧化多种有机物，电子回收率（能量转换率）较高；2) 直接将有机物氧化过程产生的电子传递给电极，无需外加介体，降低了运行成本，也使MFC 应用于开放环境成为可能；3) 微生物从电子传递过程中获取生长和更新所需能量，自我维持代谢活性，可实现MFC 持续运行[7]. 如Logan 实验小组运用产电微生物实现电池稳定运行2 a ，产电功率未明显下降. 近些年来研究者对产电微生物、电池构型、电极材料与运行参数的研究与优化，使得MFC 产电水平不断升高. 产电呼吸的发现，也使得MFC 性能（功率密度和产电稳定性）获得飞速微生物产电呼吸最新研究进展*刘敏1, 2, 3 邵军1, 3 周奔4 周顺桂2** 倪晋仁3(1北京大学深圳研究生院深圳 518055)(2广东省生态环境与土壤研究所广州 510650)(3北京大学环境工程系北京 100871)(4广州市环境保护科学研究院广州 510620)Progress in Research of Microbial Electricigenic Respiration *LIU Min 1, 2, 3, SHAO Jun 1, 3, ZHOU Ben 4, ZHOU Shungui 2** & NI Jinren 3(1Shenzhen Graduate School, Peking University , Shenzhen 518055, China)(2Guangdong Institute of Eco-Environment and Soil Sciences , Guangzhou 510650, China)(3Department of Environmental Engineering, Peking University , Beijing 100871, China)(4Guangzhou Research Institute of Environmental Protection , Guangzhou 510620, China)Abstract Microbial electricigenic respiration is a new microbial metabolism mode. Microbial fuel cells (MFC) based on microbial electricigenic respiration represent lots of advantages, such as high coulombic efficiency, no requirement for addition of exogenous electron-carrying mediators and long-term sustainability. In the paper presents a review on the working principle of MFC, main species of electricigens, in ﬂ uential factors of electricigenic respiration, similarities and differences between electricigenic respiration and Fe(III) respiration, describes two aspects of the mechanisms of microbial electricigenic respiration which includes intracellular and exocellular electron transfer, and ﬁ nally proposes a wild application prospect of microbial fuel cells based on electricigenic respiration. Fig 3, Tab 1, Ref 52Keywords microbial electricigenic respiration; electricigen; exocellular electron transfer; bio ﬁ lm; nanowire CLC TM911.45摘要产电呼吸是一种新型的微生物能量代谢方式，基于产电呼吸的微生物燃料电池（MFC ）具有直接产电、能量转换率较高、无需外源介体、自我维持运行等优点. 介绍了产电呼吸的MFC 工作原理、产电微生物的种类、产电呼吸的特点、影响产电呼吸的因素、产电呼吸与铁呼吸的异同，重点从电子由胞内传递至胞外及胞外转移至电极两个环节阐述了产电呼吸机制. 最后展望了基于产电呼吸的微生物燃料电池的广阔应用前景. 图3 表1 参52关键词微生物产电呼吸；产电微生物；胞外电子转移；生物膜；纳米导线CLC TM911.45收稿日期：2009-07-18 接受日期：2009-09-25*国家高技术研究发展计划（863计划，No. 2009A A05Z115）、广东省自然科学基金项目（No. 9151065003000010）和广州市科技攻关项目（Nos. 2008Z1-D331, 2009J1-C181）资助 Supported by the National High-tech Research & Development Program of China (863 Program, No. 2009AA05Z115), the Natural Science Foundation of Guangdong, China (No. 9151065003000010) and the Science & Technology Project of Guangzhou, Guangdong, China (Nos. 2008Z1-D331, 2009J1-C181)**通讯作者 Corresponding author (E-mail: sgzhou@)44616 卷应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol提高. 然而，电池输出功率密度低仍是制约MFC实际应用的主要因素. 产电呼吸速率是影响MFC电能输出的主要内因. 目前产电呼吸方面的研究尚处于起步阶段，离实际应用仍有较远距离，致力于提高产电呼吸速率是未来MFC研究的重点. 本文对产电呼吸的最新研究进展作一评述，以期更深入地了解这一重要呼吸产能方式，进而为MFC应用提供更加深入的理论基础和科学依据.1基于产电呼吸的MFC工作原理微生物燃料电池（MFC）是利用微生物代谢将燃料中的化学能直接转化为电能的理想产电装置[8]，其工作原理如图1 (a) 所示：有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子由微生物捕获传递至电池阳极，再经外电路到达阴极，从而形成回路产生电流；同时质子通过质子交换膜到达阴极，与电子、氧一起反应生成水. 在MFC厌氧阳极室内，微生物彻底氧化有机物而获得电子，接着又将电子由细胞内直接传递至阳极，同时从电子转移过程中获得生长所需能量，此过程即为产电呼吸过程.产电呼吸同样存在于其它的微生物技术当中，如微生物电解池（MEC），其工作原理如图1 (b) 所示：MEC通过厌氧微生物催化氧化有机物偶联质子还原产生电流，同时借助于外加电源供应将有机物直接转化为氢气. 产电呼吸是MFC和MEC产电的核心机制. 下文将以MFC为对象，对产电微生物和微生物产电呼吸进行详细阐述.2 产电微生物产电微生物是指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物生成CO2，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链直接传递到电极上产生电流的微生物，即能够进行产电呼吸的微生物. 目前，产电微生物在文献中的称谓并不统一，如胞外产电微生物（Exoelectrogens）[10]、阳极呼吸菌（Anode respiring bacteria）[11]、电化学活性菌（Electrochemically active bacteria, EAB）[12]、亲电极菌（Electrodophile）[13]、亲阳极菌（Anodophile）[13]、异化铁还原菌（Dissimilatory iron reducing bacteria，DIRB）[14]等均被用来指代产电微生物. 最近，Logan提出以“Electricigens”作为产电微生物的规范术语，专门指能够利用电极为唯一电子受体彻底氧化有机物的微生物[5, 7]. 本文评述的产电微生物即Electricigens. 已报道的产电微生物主要有泥细菌（Geobacter，G）) 、铁还原红螺菌（Rhodoferax ferrireducens）等，见表1.泥细菌是非常重要的一类产电微生物. 2002年，Bond 等将石墨电极或铂电极插入厌氧海水沉积物中，与之相连的电极插入溶解有氧气的水中，获得了持续的电流；对阳极微生物群落进行分析，结果显示，Geobacteraceae 科的细菌在电极上高度富集，从而揭示了Geobacterceae可利用电极为最终电子受体直接产电[15]. 到现在为止，能够以电极作为唯一电子受体的泥细菌包括：G. sulfurreducens、G. metallireducens、G. psychrophilus、Desulfuromonas acetoxidans 和Geopsychrobacter electrodiphilus. 其中G. sulfurreducens是最早报道的能够进行产电呼吸的微生物[16]. Bond和Lovley发现，G. sulfurreducens能够利用电极完全氧化乙酸为CO2，稳定电流达65 mA/m2（1 000 Ω），电子回收率高达95% [16]. 另有研究报道，Geobacter仅能彻底氧化简单有机酸或单芳香族化合物，需要发酵细菌将较复杂的有机物降解为简单基质后方能利用，如G. sulfurreducens不能氧化乙醇，当它与Pelobacter carbinolicus共培养时，P. carbinolicus先将乙醇转化为乙酸和氢气，G. sulfurreducens利用乙酸和氢气为图1 微生物燃料电池（a）和微生物电解池（b）示意图[9]Fig. 1 Diagram of a microbial fuel cell (MFC, a) and a microbial electrolysis cell (MEC, b) [9]447 3 期刘敏等：微生物产电呼吸最新研究进展电子受体而产电，二者接力实现利用乙醇进行产电[17]. 目前，G. sulfurreducens 的全基因组序列的测序已经完成，具有较好的遗传信息背景，该菌已成为产电呼吸代谢研究的模式菌株.从地下沉积环境中分离出的铁还原红螺杆菌（R. ferrireducens）则是最早报道的能够进行产电呼吸而彻底氧化糖类的兼性厌氧微生物[18]. Chaudhuri和Lovley发现，R. ferrireducens能够以电极为唯一电子受体直接氧化葡萄糖生成CO2，以葡萄糖为电子供体时，获得了31 mA/m2（1 000 Ω）的稳定电流，电子回收率高达81%. R. ferrireducens可几乎完全氧化葡萄糖，这极大地推动了MFC的实际应用进程. 此外，研究表明，R. ferrireducens 还能够利用果糖、蔗糖、乳糖和木糖等长期稳定地产电，因而，其在富含碳氢化合物废弃生物质的开发利用方面极具潜力.D e s u l fobu lbu lb a c e a e科细菌也是一类重要的产电微生物，其中研究最多的是Desulfobulbus propionicus. Desulfobulbulbaceae科细菌能够利用电极作为唯一电子受体氧化S0成为SO42-获得能量[20].由表1可以看出，大多数产电微生物同时是异化铁还原菌（Fe(III)-reducing bacter ia，简称FR B），具有异化还原Fe(I I I)并从中获取生长所需能量的功能，如G. sulfurreducens、G. metallireducens、G. electrodiphilus、D. acetoxidans和R. ferrireducens. 从微生物种属关系角度来看，已发现的产电微生物主要分布在变形菌门，大多为不形成芽孢的革兰氏阴性菌. 关于革兰氏阳性菌产电呼吸代谢的研究较少，从微生物能量代谢角度分析，革兰氏阳性菌的细胞壁含有大量肽聚糖，其厚度远大于阴性菌，阻隔电子的传导，因而一般认为革兰氏阳性菌的电化学活性不明显. Park等报道了产芽孢革兰氏阳性菌株Clostridium butyricum EG3能够直接利用葡萄糖产电[14]，但它不能将葡萄糖彻底氧化成CO2，因而不能称为产电微生物. 3 微生物产电呼吸机制产电呼吸被认为是一种新型微生物呼吸方式，与传统厌氧呼吸存在很大差别：传统厌氧呼吸以硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐等可溶无机物或延胡索酸等有机氧化物为末端电子受体，它们可自由出入细胞，接受并转移电子；产电呼吸则以永久的不溶性电极为唯一的末端电子受体，电极不可能穿透膜结构进入细胞，故电子必须从胞内转移至胞外后再传输到电极表面. 因此，产电呼吸的特点是产电微生物只用电极（而非溶解性分子）为电子受体而进行呼吸产能.目前，现在还没有证据表明微生物传递电子到电极是一个自然现象. 考虑到电极与Fe(III)氧化物作为电子受体的相似性（都属于不溶性胞外电子受体），且很多微生物兼具产电呼吸和铁呼吸能力，有人推测，产电呼吸可能与厌氧环境中微生物广泛存在的Fe(III)呼吸有密切关系[5]，两者可能具有内在机制上的相似性. Fe(III)呼吸，是指微生物以胞外固态铁氧化物为末端电子受体，通过氧化电子供体偶Fe(III)还原，并从这一过程中贮存生命活动所需能量的代谢方式；它是地球上最古老、厌氧环境中最重要的呼吸类型，经历了长期的进化选择. 借助Fe(III)呼吸机制的了解，有利于理解产电呼吸代谢路径.利用G. sulferreducens进行MFC产电呼吸机制的研究具有诸多优势：1) 基于泥细菌G. sulfurreducen的MFC能够产生较高电流；2) G. sulferreducens是典型的异化铁还原菌，目前其铁还原的电子传递研究已经积累了很多的资料；3) 其全基因组序列和遗传系统信息已阐明[23~24]，基于基因组的杂交模型[25]和大量生理数据已获得[26]，利于探究电子传递过程中胞内组分（如蛋白等）的作用，进而系统地研究电子传递机制.产电呼吸主要包括两个过程：产电微生物在阳极室催化氧化有机物产生电子；电子由胞内传递至胞外，继而传递至阳极表面，还原电极. 其中，电子的传递过程是关键. 电子传递机理的研究，可为MFC构型优化、阳极材料修饰和微生表1 已报道的主要产电微生物概况Table 1 Electricigens capable of electrigenic respiration产电微生物Electricigens菌门Phylum革兰氏染色Gram-taining可利用基质Available substrate备注Remark文献ReferenceGeobacter sulfurreducensδ-变形菌δ-proteobacteria阴性Negative乙酸Acetate异化铁还原菌DIRB[16]Geobacter metallireducensδ-变形菌δ-proteobacteria阴性Negative安息香酸盐Acetate异化铁还原菌DIRB[10]Geopsychrobacter electrodiphilusδ-变形菌δ-proteobacteria阴性Negative乙酸，苹果酸，延胡索酸，柠檬酸，芳香族化合物Acetate, malic, fumarate, citric, aromatic compounds异化铁还原菌DIRB[21]Desulfuromonas acetoxidansδ-变形菌δ-proteobacteria阴性Negative乙酸Acetate异化铁还原菌DIRB[20]Rhodoferax ferrireducensβ-变形菌β-proteobacteria阴性Negative葡萄糖，果糖，蔗糖，木糖Glucose, fructose, sucrose, xylose异化铁还原菌DIRB[19]Rhodopseudomonaspalustrisα-变形菌α-proteobacteria阴性Negative挥发性脂肪酸，酵母提取物，硫代硫酸盐Volatile acids, yeast extract, thiosulfate光养紫色非硫菌Phototrophicpurple nonsulfurbacterium[22]Ochrobactrum anthropiα-变形菌α-proteobacteria阴性Negative乙酸，乳酸，丙酸，丁酸，葡萄糖，蔗糖，纤维二糖，丙三醇，乙醇Acetate, lactate, propionate,butyrate, glucose, sucrose,cellobiose, glycerol, ethanol不能还原铁氧化物Incapable ofreducing Fe(III)oxide[10]44816 卷应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol 物基因工程改造提供理论基础，使MFC 的高效产电和实际运用成为可能.3.1 胞内至胞外电子传递目前，大部分产电微生物如Geobacter 可直接利用的底物仅为简单有机酸，如甲酸、乙酸、乳酸等. 微生物依靠其膜上的脱氢酶直接氧化小分子有机酸，释放的电子传递给膜上的电子载体. 另一些产电微生物如R. ferrireducen 可氧化糖类等有机物生成还原力（NADH ，FADH 2）. 随后，在NADH 脱氢酶的作用下，电子从NADH 转移至电子传递链（代谢呼吸链）；呼吸链起始端电势低于末端电子受体的电势，电子经呼吸链流动，到达外膜氧化还原蛋白，然后释放于胞外.Kim 等研究了此代谢路径，他们向MFC 基质中加入各种呼吸链抑制剂，考察其对电子传递过程的选择性抑制效果，结果表明：鱼藤酮（抑制NADH →CoQ 的电子传递）、2-heptyl-4-hydroquinone-N-oxide （HQNQ ，醌类抑制剂）、二环已基碳化二亚胺（ATPase 抑制剂）、2,4-二硝基酚（解偶联剂）可抑制MFC 电流的产生，验证了细菌氧化代谢过程中的呼吸链电子传递路径，同时证明了NADH 脱氢酶和醌类在电子传递过程中作为电子载体的重要作用[27]. 抗霉素A （抑制Cyt b →Cyt c 1的电子传递）、CN -和N 3-（末端细胞色素氧化酶抑制剂）对电流的产生无影响，排除了细菌利用(Cytc b →c1→c)电子传递路线或末端氧化酶路径的可能.最近王慧勇等提出，在厌氧条件下，阳极微生物通过NADH 氧化或琥珀酸氧化两种方式完成生物氧化作用，产生的电子依次通过CoQ 、细胞色素C 传递到胞外[28]，如图2所示.目前，认为NADH 脱氢酶、黄素酶（琥珀酸-Q 还原酶）、醌类和细胞膜上的细胞色素C 均是电子传递系统（呼吸链）的重要组成成分，在电子由胞内向胞外的传递过程中起重要作用.Lovley 以铁还原菌G. sulferreducens 为例，构建了从胞内向胞外的电子传递模型[29]，如图3所示. 首先，在细胞质内，电子供体在脱氢酶的作用下被氧化脱下氢和电子，生成还原力NADH ；在电子传递链的起始端，在NADH 脱氢酶作用下，NADH 被氧化，释放质子和电子. 电子传递至细胞内膜，再由未知电子载体、细胞色素C 蛋白传递至周质，继而由周质内和外膜上的细胞色素C （包括MacA 、PpcA 、OmcB 和OmcS ）发挥作用，将电子传至胞外. 电子传递过程中细胞色素C 起着重要作用，全基因组序列分析也表明，G. sulferreducens 大约有100个细胞色素C 蛋白编码基因[30]. 另外，Izallalen 等对基因组的分析结果显示，当细菌呼吸速率提高时，检测到包括细胞色素C 和假定的多铜外膜蛋白等在内的一系列氧化还原蛋白的基因表达均增加[31].3.2 胞外电子传递Lovley 等发现，基于G. sulferreducen 和R. ferrireducen 的M FC 中，更换电池基质以去除悬浮细胞和可能释放到介质中的穿梭体后，电池产电性能并没有下降；扫描电镜结果显示，阳极上覆盖了一层或多层细胞[16, 19]. 另有研究发现，在M F C 阳极室，在未形成传导性生物膜之前，G. sulfurreducens 不能驱动燃料电池产电[32~33]. 以上研究均表明，吸附在阳极上的菌体细胞是MFC 产电的原因，即微生物可利用生物膜产电. 借鉴Geobacter 铁呼吸机制的研究，目前建立了胞外电子传递的直接接触传递机制和纳米导线辅助传递机制，二者统称为生物膜机制，换言之，微生物在电极表面聚集，形成生物膜，通过直接接触或利用纳米导线辅助转移电子至阳极.3.2.1 直接接触电子传递诸多研究发现，与阳极直接接触的生物膜细胞，可通过外膜氧化还原蛋白（如细胞色素C ）将电子直接转移至电极. 光谱电化学研究表明，外膜细胞色素C 具有电化学活性，其可作为微生物细胞外表面与电极表面间的电接触点，通过直接与电极接触，接受或传递电子.Holmes 等采用基因分析手段研究了OmcS 和OmcE 两种外膜细胞色素基因表达对MFC 产电的影响，结果表明，外膜细胞色素OmcS 和OmcE 在电极还原过程中均起着重要的作用，OmcS 参与电子由细菌细胞至电极的直接传递过程[34].2009年，Nevin等运用全基因组基因表达分析和基因手段确认出多个氧化还原活性蛋白，包括OmcS 、OmcZ 、OmcE 、OmcB 均可导致G. sulfurreducens 产电；从分子水平证实了生物膜电传导性网络可通过与膜相连的蛋白转移电子[35]. Richter 等用CV 方法研究了OmcS 、OmcZ 、OmcE 、OmcT 、OmcB 等蛋白在胞外电子传递过程中的具体作用[36]. 研究结果表明，OmcZ 介导穿过生物膜的电子转移，OmcB 介导生物膜至阳极表面的电子转移，OmcS 和OmcT 在穿过生物膜的电子转移过程中起辅助作用，OmcE 不参与胞外电子转移步骤. 该研究提供了Geobacter 利用与膜相连的蛋白介导电子传递的直接电化学证据. 与膜相连的氧化还原蛋白组分的性质是目前研究的热点.直接接触电子传递方式依靠的是紧贴在电极表面的一图2 NADH 氧化与琥珀酸氧化途径电子传递Fig. 2 Route for electron transfer during NADH and succinic acid oxidation449 3 期刘敏等：微生物产电呼吸最新研究进展单层微生物的电化学活性，因而产电能力有限.3.2.2 纳米导线电子传递 Reguera等对不同电流下阳极生物膜的生物量进行分析，结果表明MFC产生的电流强度与生物量呈正相关[37]；随着阳极表面细胞数量的增加，电池的输出电流逐渐增强，当生物膜中未直接接触阳极的细菌量占较大比例时，MFC电能输出比直接接触机制驱动运行的相同MFC 系统明显提高[25]，说明远离阳极的细菌能够采取特定的机制将电子传递到阳极.2005年，Reguera等研究发现，地杆菌G. sulferreducen 表面存在一种导线，其宽为3~5 nm、具有良好导电性的纤毛——微生物纳米导线（Nanowire）[30]. 纳米导线位于细胞的一侧，一端与细胞外膜相连，另一端与电极表面直接接触，在电子传递过程中可能起着重要的桥梁作用，使菌体摆脱了直接接触电极的限制，从而使远距离的电子传输成为可能. Richter等通过循环伏安法（CV）测试证明了菌毛（Type IV pili）在穿过生物膜本相和生物膜至电极表面的电子转移过程中均起着重要的电传导作用[36]. 有研究发现，G. sulfurreducens菌毛缺陷株仍可转化乙酸产电，但电流输出效率不足野生菌株的1/3 [38]；并且，缺少菌毛蛋白的变异细胞不能在电极上堆叠形成厚的生物膜. 以上结果表明传导性菌毛对于多层生物膜的形成和高水平电流的产生是必需的. 菌毛缺失条件下电池产电性能下降的原因是，仅阳极表面的细胞进行产电呼吸代谢，实现有效的电子传递，电子在微生物表面的流动受限.Reguera等发现，G. sulferreducen培养物表面的纳米导线最长为20 μm，而在以乙酸为基质的MFC反应器中形成的生物膜厚度却大于50 μm [37]，导线长度不足以穿过生物膜到达电极. 分析原因，一方面可能是纳米导线相互交错缠绕，构成“纳米电网”渗透于生物膜中，通过传导性网络将电子传递至电极；另一方面也可能是导线与生物膜深处的细胞相连，电子传递至细胞后再由细胞自身菌毛逐步转移至阳极. 具体的电子传递方式还需在未来研究中进一步确定.另有研究表明，在高电流输出的MFC系统中，外膜细胞色素OmcZ也是未与阳极直接接触的生物膜菌体细胞进行电子传递所必需的[36]. 去除omcB、omcS、omcE或omcZ后对菌株产电的测试结果显示，仅删除omcZ基因会抑制MFC产电和阳极生物膜形成，此结果证明OmcZ是参与G. sulfurreducens 生物膜细胞至阳极远距离电子转移的关键组分. 推测可能OmcZ与菌毛共同作用，OmcZ是电子流动至菌毛的中间环节，菌毛则作为远距离电子传递的最终管道；也可能OmcZ与菌毛相连，使菌毛具备了电传导性. OmcZ位于细胞外表面，胞外电传导网络中OmcZ与OmcZ分子间电子转移也是可能路径. 与菌毛蛋白相类似，OmcZ也不是直接接触阳极的细胞进行胞外电子转移所必需的.3.2.3电子穿梭机制人们发现，微生物可以自身产生一些电子传递体来促进电子向电极表面的转移，如Shewanella oneidensis [39]、Pseudomonas aeruginosa [40]、Geothrix fermentans[41]. 但是，考虑到它们不能彻底氧化有机物，不能进行产电呼吸，在此不作赘述.3.3 产电呼吸影响因素影响产电呼吸的因素包括：氧气扩散、温度和pH等外界因素及其他因素.3.3.1 氧气扩散无膜MFC中扩散入阳极室的氧气比采用Nafion PEM的MFC增加约3倍[2]. 氧气扩散到阳极室后，兼性或好氧产电微生物会以氧气为电子受体消耗部分阳极室的燃料，降低库仑效率，而阳极氧化还原电位升高，不仅抑制产电微生物的呼吸作用[42]，而且降低电池输出电压. 在MFC 设计中应尽量采用性能良好的阴阳极隔离材料，减少氧气扩散，或者在阳极室中加入氧气清除剂，例如半胱氨酸[42)（溶于水时可与氧气反应），从而保持较低的氧化还原电位.图3 G. sulfurreducen将电子由NADH传递至阳极路径[29] (MacA、PpcA、OmcB、OmcE和OmcS为细胞色素C) Fig. 3 Route for electron transfer from NADH to electrode by G. sulfurreducen [29](MacA, PpcA, OmcB, OmcE and OmcS are c-type cytochromes)45016 卷应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol3.3.2 温度温度是MFC实际应用中重要的运行参数. 温度变化影响阳极产电微生物的代谢和呼吸活性[43]等，进而影响MFC性能. 目前MFC中普遍采用的温度范围是30~37 ℃. 如Moon等在研究中获得最大输出功率的温度为35 ℃[44]. 而Holmes等发现在MFC条件下，产电微生物G. electrodiphilus能够在4~30 ℃的温度范围内生长，其最佳生长温度为22 ℃[21]. 温度对微生物生长影响较大，更多的微生物生长利于其吸附到电极上，从而增加产电. 产电微生物在特定温度下驱动MFCs长期运行的效果有待进一步考察.3.3.3 pH值 pH值反映了质子的浓度. pH低，阳极室质子浓度高，与电极间的浓度差大，利于质子的传递；反之则不利[45]. 但是pH过低或过高都不利于产电微生物的生长，因此不同产电微生物种类都存在最佳的pH范围. 多数MFC的运行时pH接近中性，Gil等研究中最适宜的pH范围是7~8，当pH小于6或大于9时输出功率大幅下降[45].3.3.4 其他因素产电呼吸还受产电微生物种类、有机物浓度[44]、外电阻[46]和阳极电势等其他因素的影响. 减小外电阻，阳极有机物的氧化速率提高，电子传递速率加快，电流增加，因而可通过降低外电阻来提高微生物产电效果. 阳极电势影响产电呼吸过程中电子产生速率，生物膜与阳极间的电势梯度驱动细菌细胞至电极的电子传递；Kato Marcus等利用Nernst-Monod方程定量描述了阳极电势对MFC电流密度的影响[33].4 产电呼吸与铁呼吸的异同如前所述，产电呼吸与铁呼吸密切相关，能够进行产电呼吸的微生物大多可进行铁呼吸. 两种呼吸作用的电子受体（电极与Fe(III)氧化物）都属于不溶性胞外电子受体. 另外，两者具有相似的机制——生物膜机制，均可依靠外膜细胞色素C和电传导性菌毛实现胞外电子转移. 如外膜细胞色素OmcF是G. sulfurreducens铁还原所必需的，同样也是G. sulfurreducens燃料电池最佳产电所必需的[47]. 对于缺乏OmcF 的变异体，其铁还原能力因omcB转录水平降低而损失，其产电也受到抑制.尽管如此，产电呼吸并不等同于铁呼吸：1) 利用Fe(III)氧化物作为电子受体并不等同于传递电子至电极. 例如，G. sulfurreducens还原电极时，可在电极上富集形成细胞膜传递电子，而还原Fe(III)氧化物时并未发现类似现象，可能是由于Fe(III)氧化物形成细胞膜不利于电子转移[48]，不同于可作为永久电子受体的电极. 2) 铁还原菌不一定能进行产电呼吸，产电微生物也不能都还原Fe(III)氧化物. Richter等发现Fe(III)还原菌Pelobacter carbinolicus在MFC中不能产生电流，可能是缺乏细胞色素C或纳米导线，具体细节尚不清楚[17]；Zuo 等在特殊U形管形状的MFC中分离出Ochrobactrum anthropi YZ-1，可利用乙酸为电子供体产电，但不能还原Fe(III)氧化物[10]；同样，Reguera等发现G. sulfurreducens菌毛缺陷株不能还原Fe(III)氧化物[30]，但可转化乙酸产电[34]，该实验排除了纳米导线的影响. 3)在产电呼吸和铁呼吸中，用于电子转移的特殊蛋白是不一样的[34]；从分子水平角度分析，不同基因参与电子到阳极和金属氧化物的传递. 5 产电呼吸应用前景微生物燃料电池是一种清洁、高效且性能稳定的产电技术，产电呼吸伴随MFC的应用将在以下方面起着重要作用：1)废水处理：基于MFC的有机废水处理技术可同时实现污水净化与电能产生，具有以下优势：直接产电，库仑效率较高；可在常温甚至低温下运行；污泥产生量减少，污泥处置费用降低. 因而，有望使废水处理成为“有利可图”的产业. 今后的研究中，应着力于MFC产电稳定性和反应器规模化的研究，进而为微生物燃料电池技术用于将实际污水转变成再生用水和电能提供可能.2) 为海底电力设备提供电能：这一应用有望在短期实现. 海底无人值守产电装置（Benthic unattended generators，BUG）可以用于海底监测设备供电，其阳极埋于厌氧海底沉积物中并与悬浮在上层好氧水中的阴极相连，工作原理为：产电微生物将底泥中的有机物彻底氧化，产生的电子被微生物传递到阳极，然后通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流. 目前此底泥燃料电池已被用于驱动气象浮标，在线实时测量气温、气压、空气湿度、水温等，这是MFC代替常规电池用于低能耗海底设备供电的第一例[49].3) 生物修复：产电微生物以电极为电子受体进行呼吸，可氧化降解沉积物或地下环境中的有毒污染物，如G. metallireducens 能够以电极为唯一电子受体有效地降解甲苯[50].4) 纳米电子学：微生物纳米导线将在电子设备微型化和纳米技术领域具有广阔的应用前景. 利用金属、硅、碳等传统材料制造纳米线路非常昂贵，同时也存在技术困难，而微生物纳米导线可能会使实现这一过程变得相对容易. 此外，纳米导线也为新型传导材料、微型生物传感器的研发提供了契机.5) 生物医学领域：2004年，Kenji等设计了一种MFC驱动的超微型心脏起搏器，作为可植入电源，它提取小部分血糖作为燃料发电，可长期运行，无需更换[51]；另外，美国研究者开发出一种植入人体血管的微型血糖浓度检测仪，作为生物传感器，可利用血糖自我维持运行，同时产生电磁信号向外界传递血糖浓度信息，从而达到长时间监测血糖的功能[52].6 产电呼吸研究展望目前，产电呼吸代谢的研究还处于起步阶段，具体机制尚未清楚. 产电呼吸作为微生物燃料电池产电的理论基础，对于MFC构型的改进、电极材料的优化、电子传递效率的提高，乃至产电性能的改善都至关重要. 今后需要在以下几方面加强研究：1) 产电微生物的多样性以及高效产电菌的筛选分离或基因工程菌的构建. 2) 产电呼吸代谢中有机物的生物氧化过程. 通过基因工程改变细胞中心代谢路径以加快产电呼吸速率是研究的重点；利用分子手段分析电子传递链的组成，是未来研究的难点. 3) 电极还原，即电子向阳极传递的具体途径. 特别是混合菌群存在下外膜蛋白和纳米导线等导电活性物质的产生与协同作用机制. 4) 拓展基于产电呼吸的MFC的应用领域，例如用于废水在线监测的BOD生物传感器的研发. 总之，如何提高产电呼吸中电子产生与传递速率是产电呼吸基础与应用研究所面临的重大挑战，今后应加强生。

!_科学家研制出细菌发电生物电池

！科学家研制出细菌发电生物电池PNAS发表论文摘要（英文）通过显微镜看到，海洋细菌希瓦氏菌的合成版本与碳电极发生互动生物电池可以用来为手机充电器提供电能北京时间3月28日消息，据国外媒体报道，用细菌制成的电池很快将会为我们的电子产品提供电能。

科学家已经发现，可以把细菌体表蛋白生成的能量收集起来，作为电能。

这项重大突破将会导致由细菌产生的清洁电流，或称“生物电池(bio batteries)”诞生。

该研究成果发表美国《国家科学院院刊》（PNAS）上，它显示，细菌接触到金属或者是矿物质时，它们体内的化学物质就会生成电流，并通过细胞膜流出体外。

这意味着可以把细菌直接“束缚”到电极上，这一发现表明我们又向成功制出高效微生物燃料电池迈进了一大步。

研究人员制成海洋细菌希瓦氏菌的合成版本，他们仅采用了被认为是这种细菌用来把电子从岩石上转移到体内的蛋白。

然后他们把这些蛋白质嵌入到一层层泡囊中，这些是微小的油脂(脂肪)囊，例如组成细菌膜的那些物质。

随后他们对电子在细菌体内的给电子体和体外用来提供矿物质的一块金属之间的传输情况进行检测。

英国东安格利亚大学的生物学家汤姆-克拉克博士说：“我们知道细菌能转移金属和矿物质里的电子，这种互动主要取决于细菌体表的特殊蛋白。

但是目前我们还不清楚，这些蛋白是直接还是间接通过环境中一种我们不知道的介质做到这些的。

我们的研究显示，这些蛋白质能够直接‘接触’矿物质表面，并产生电流，这表明细菌可能是依附在金属或者矿物质表面，通过它们的细胞膜传导电流的。

事实上这是我们第一次观测到细菌细胞膜的组成成分是如何与不同物质发生互动的，并首次了解了金属和矿物质在细胞表面发生的互动存在多大差异。

这些细菌展现出作为微生物燃料电池的巨大潜能，它们可以通过分解家庭或者农业废料产生电流。

”克拉克说：“另一种可能性是把这些细菌当作电极表面的微型工厂，电极通过这些蛋白质提供的电能促使细胞内发生化学反应。

科学家已经清楚，细菌会对矿物质和金属产生影响，但这是首次证实它们可以直接释放电流。

细菌让污水也能发电马桶秽物可能提供照明电

细菌让污水也能发电马桶秽物可能提供照明电细菌让污水也能发电马桶秽物可能提供照明电提起发电，人们会联想到水力、风力、火力、核能和太阳能发电等。

其实，作为微生物的细菌也能发电。

用细菌发电由来已久英国植物学家马克·皮特在1910年首先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。

于是他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液里，成功地制造出世界上第一个细菌电池。

1984年，美国设计出一种供遨游太空使用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌，不过放电率极低。

直到本世纪80年代末，英国化学家彼得·彭托在细菌发电研究方面才取得了重大进展。

他让细菌在电池组里分解电子，电流能持续数月之久。

此后，各种细菌电池相继问世。

美研制污水发电机美国科学家最近发明出一种利用生活污水发电的设备，它不仅能发电，还可以分解污水中有害的有机物质，节省能源，有利环保。

科学家说，利用这种污水发电机，将会有那么一天，能使从马桶冲下去的秽物成为家中照明用电的来源。

据英国《新科学家》网站报道，这种发电机是由美国宾夕法尼亚大学的科研人员发明的，它是一个15厘米长的密封罐，据介绍，有机污水被引入罐内后被细菌酶分解，在此过程中释放出电子和质子。

在电子流向正极的同时，质子通过罐内的质子交换膜流向负极，并在那里与空气中的氧及电子结合成水。

在完成上述分解污水过程的同时，罐内电极之间的电子交换产生了电压，使该设备能够给外部电路供电。

研究人员说，目前该设备的发电量只达到其发电潜力的1/10。

即便如此，该系统也能利用10万人次的排泄物发出51千瓦的电。

糖也能发电在肥胖困扰人类的今天，糖成了不受欢迎的食品。

然而一种科学发现却给糖恢复了“名誉”。

一个以糖为食的小生物没有把糖的卡路里转化为腹部的赘肉，而是转化成了有用得多的产物———适量而稳定的电流。

美国环境微生物学家德里克·拉乌雷发现了一种新的嗜糖微生物。

拉乌雷博士是在弗吉尼亚州奥伊斯特湾发现这种细菌的。