沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展

科 技 天 地

66

INTELLIGENCE

・・・・・・・

・・・・・・・・・・・・・・・・・沉积物微生物燃料电池修复水体沉积物研究进展

辽宁广播电视大学丹东分校 冯 雁

摘 要：近年来微生物燃料电池技术在国外接连取得突破性研究成果，并迅速成为新概念废水处理的热点。介绍了微生物燃料电池技术的原理和特点，系统综述了该项技术的研究进展，重点总结了在微生物、介体与电极材料研究等方面的最新研究进展，分析了存在的问题，在此基础上指出微生物燃料电池技术研究的重点突破方向。

关键词：微生物 燃料电池 废水处理

当今世界，减少污染物排放量和对化石类燃料的依赖是可持续发展力求达到的两个目标。微生物燃料电池（Microbial fuel cells，MFCs）技术为在污水处理领域实现这两大目标提供了可能。微生物燃料电池（MFCs）是一种特殊的燃料电池，它以微生物作为催化剂，直接将燃料中的化学能转化为电能。研究表明，MFCs 不仅可以利用乙酸盐等物质作为燃料持续稳定地产生电流，也可利用各种有机污染物为燃料。当阳极室利用厌氧污泥接种，采用有机污染物为燃料时，电池就能在发电的同时降解污染物，达到经济和环境的双赢，这为有机废水的资源化提供了新思路，具有重大的实际意义。

MFCs 是一种通过微生物的新陈代谢活动能使化学能转化为电能的生物电化学系统（BESs）。由于它们独特的特点和在污水处理方面的应用，BESs 的应用领域正在不断地增大。

一、微生物燃料电池的发展及其分类

1911年，英国植物学家Potter 用酵母和大肠杆菌进行实验，宣布利用微生物可以产生电流，生物燃料电池研究由此开始。之后40多年，占主导地位的是间接微生物电池，即先利用微生物发酵产生氢气或其它能作为燃料的物质通入燃料电池发电。

从20世纪60年代后期到70年代，直接生物燃料电池逐渐成为研究的中心。进入80年代后，对于生物燃料电池的研究活跃起来。90年代初，我国也开始了该领域的研究。MFCs 按照使用催化剂形式的不同，可以分为微生物燃料电池和酶燃料电池。前者利用整体微生物中的酶，而后者对酶直接利用。根据电子转移方式的不同还可分类为直接生物燃料电池和间接生物燃料电池。直接生物燃料电池的燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化在电极表面上的反应；而在间接生物燃料电池中，燃料并不在电极上反应，而是在电解液中或其它地方反应，电子则由具有氧化还原活性的介体运载到电极上去。另外，也有人用生物化学方法生产燃料（如发酵法生产氢、乙醇等），再用此燃料供应给普通的燃料电池。这种系统有时也被称为间接生物燃料电池。

二、介体的改进

在MFCs 中，电子由微生物内部转移到阳电极需要经过微生物细胞膜，细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质，电子难以直接穿过，需要氧化还原载体作为电子介体传递。因此电子介体的数量和性质成为限制MFCs 是产电效率的一个重要

因素。

理想的介体应具有下列特性：1、能够被生物催化剂快速还原，并在电极上被快速氧化；2、在催化剂和电极间能快速扩散；3、氧化还原电势一方面要足以与生物催化剂相偶合，一方面又要尽量低以保证电池两极间的电压最大；4、在水溶液系统中有一定的可溶性和稳定性。典型的电子介体包括中性红、劳氏紫、硫瑾类、吩嗪类等。一些研究者认为适宜条件下，微生物体系本身可以产生电子介体，如Daniel 等发现发酵酸杆菌产电中电子转移节制的证据。Rabaey 等研究发现向MFCs 阳极转移电子能够通过绿脓菌素和吩嗪－1－羧基酰胺实现。

由于常用介体价格昂贵，并可能对环境产生毒害。近年开展了大量对无介体MFCs 的研究。无介体MFCs 中的嗜阳极微生物可分为两种：一种是吸附在阳极上，通过细胞膜进行电子传递的微生物，如S。putrefaciens。这类细菌的细胞外膜上存在具有良好氧化还原性能的细胞色素，可帮助电子传递。另一种是可以分泌溶解性物质并利用它作为电子介体，如Pseudomonas aeruginosa。最近的研究表明，这些由微生物分泌的电子介体参与细胞外电子传递，并可以极大提高MFCs 的性能。

三、结语及展望

沉积物微生物燃料电池自身潜在的优点展示了其良好的发展前景，但是相关的研究还处于基础阶段。因此还需要在以下几个方面进行深入研究，推动其工程化的应用：

1、导电性能优良的立体化微生物燃料电池阳极研究。开发新型的立体化电极，并采用化学修饰来增强阳极生物亲和性和导电性，提高固定有效产电微生物的量和微生物向电极传导电子的能力。

2、高效廉价的微生物燃料电池生物阴极研究。通过选择导电性能优良的材料，通过一定的方式使其表面产生生物膜来提高氧还原速率。

3、加强淡水沉积物微生物燃料电池的研究。近年来淡水资源的污染已严重影响到人们的生活，而MFCs 所展现的优点可以应用于其污染治理。并可通过深入研究生态工程和沉积物微生物燃料电池的协同作用来提高其修复速率。

4、应用物理和生物方式，加快沉积物中有机物向阳极的传递，以提升MFCs 工艺运行效果。