动力工程及工程热物理前沿报告 2

研究生课程考核试卷

（适用于课程论文、提交报告）

科目：新能源与能源高效利用教师：彭岚

姓名：王家乐学号：20131013081 专业：动力工程类别：专业

上课时间：2014年2月至2014年5月

考生成绩：

阅卷评语：

阅卷教师(签名)

有关微生物燃料电池技术的应用进展及前景展望

摘要:本文在微生物燃料电池的基础上，简要介绍微生物燃料电池型生物传感器的工作原理，重点讨论了各种基于微生物燃料电池技术开发的生物传感器及其应用领域。分析影响微生物燃料电池型生物传感器性能的因素，讨论提高传感器性能的方法，以期为研究和开发高性能的微生物燃料电池型生物传感器提供参考。同时也举出微生物燃料电池在环境监测等方面的研究及应用。最后，对这种技术在未来研究方向给以预测。

关键词: 微生物燃料电池，生物传感器，应用，前景

Abstract: Based on the microbial fuel cell, this paper introduces the working principle of microbial fuel cell biosensors, focus on the various biological sensor technology development of the microbial fuel cell and its applications based on. Then it analyses the factors affecting the performance of microbial fuel cells biosensor, discusses the methods to improve the performance of the sensor, in order to provide reference for the research and development of high performance of microbial fuel cell biosensor. The other researches and applications of microbial fuel cells are also cited in the areas of environmental monitoring. Finally, it predicts the possible study directions of this technology in the future.

Key words: microbial fuel cell, biosensor, application, respect

前言部分

近年来，由于能源问题日益突出，为了能源的可持续发展和环境保护，与能源相关的交叉科学日益突出，这是我们国家的重大战略需求，也是科技工作者的重要研究方向。基于微生物燃料电池的生物传感器就是一例，这种新技术还刚刚起步，还有许多技术上的瓶颈问题亟待解决，因此很有必要加强这方面的研究。

微生物燃料电池(MFC)是以微生物为催化剂，将化学能直接转化为电能的装置[1]。利用微生物产电的最初构想20世纪初由Potter教授提出的。Potter利用大肠杆菌进行产电试验研究时观察到电流的产生，但这一工作并没有继续。直到Cohen 利用串联的微生物燃料电池获得了高达35 V的电压，从此，微生物燃料电池才被广泛地关注。早期的微生物燃料电池是用发酵型的酵母和细菌产电，但其机制并不清楚，初步认为是在微生物发酵过程中产生的还原产物与电极直接作用而产生电流。20 世纪80年代后，由于电子传递中间体的广泛应用，微生物燃料电池的输出功率有了较大提高，但由于电子传递中间体对微生物的毒害性，因此，也制约了其发展。而20 世纪90年代中期电化学活性细菌的发现是微生物燃料电池发展的里程碑。近年来，由于能源危机的出现及现代科学技术的发展，微生物燃料

电池技术在世界范围内掀起了研究的热潮，并在电极微生物、电极材料、催化剂、电池结构及电子传递机理等方面的研究取得了重大进展。同时，微生物燃料电池技术在有机污水处理、产电、环境生物修复、野外电源及传感器等领域的应用研究呈逐年上升趋势，已有研究成果展示了微生物燃料电池技术在传感器领域的巨大应用潜力。自从Karube 等[2]应用微生物燃料电池测定生化需氧量以来，微生物燃料电池作为传感器在分析领域的应用研究取得了很大的进展。本文作者对微生物燃料电池技术在传感器领域的应用进行概述，在分析影响微生物燃料电池性能的基础上，讨论提高微生物燃料电池型生物传感器性能的方法，最后对这种技术前景进行展望。

1 微生物燃料电池型生物传感器的原理

微生物燃料电池是以微生物为催化剂，将化学能转化为电能的装置。典型的微生物燃料电池由阳极室和阴极室构成，2个极室由质子交换膜(PEM)隔开。阳极室保持厌氧环境，阴极室保持好氧环境，阴阳两极通过外电路连接。在阳极室中，微生物催化氧化有机物的过程中产生电子和质子。产生的电子直接或间接传递至阳极，然后经外电路传递至阴极。同时，质子经质子交换膜迁移至阴极，并与来自外电路的电子和阴极室的氧气反应生成水，并产生电流[3]。

微生物燃料电池(MFC)与燃料电池原理相似，但可以利用比甲醇或氢更复杂的燃料。其研究早在二十世纪七十年代就有开展，而1991年则出现了利用MFC处理城市生活污水的报道。但是，直到最近MFC输出功率不断增加，才使其有望应用于实际生活。MFC以自然界的微生物或酶作为催化剂直接将燃料中的化学能转化为电能。

许多研究表明：在一定条件下，微生物燃料电池的产电量或电流与阳极室添加的可代谢的底物的浓度或微生物数量成正比；此外，当有毒物质进入阳极室时，会导致微生物燃料电池产生的电流下降，而电流的下降程度与有毒物质的浓度存在一定的相关性。微生物燃料电池的这些性质可被用于构建不同类型的生物传感器。

2 微生物燃料电池型生物传感器

2.1 生化需氧量传感器

生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)是水质监测的重要指标。我国现行标准采用BOD5测定法,有些国家为了避免周末检测而采用BOD7测定法,检测过程繁琐,耗时长,重现性较差,不能用于实时在线检测。

微生物电极法是目前广泛使用的BOD快速测定法。大多数微生物电极由溶氧电极和微生物固定化膜构成[4]，酵母菌、枯草芽胞杆菌(Ba-cillus subtilis)、粘质沙雷氏菌(Serratia marces-cens)等均可用于制作微生物固定化膜。单一菌种微生物对