微生物燃料電池中底物的研究進展

1、微生物燃料電池中底物的研究進展微生物燃料電池中底物的研究進展劉晶晶1，2，孫永明2，孔曉英2，李連華2，李穎2，田沈1，楊秀山1，袁振宏2（1.首都師范大學(xué)，北京100048；2.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州510640）摘要：微生物燃料電池是一種利用可溶性有機廢物和可再生生物質(zhì)等原料萃取電能的裝置，而底物作為能量轉(zhuǎn)化的能源物質(zhì)，是影響微生物燃料電池產(chǎn)電能力的重要因素之一。能夠充當?shù)孜锏挠袡C質(zhì)種類十分豐富，如多種低濃度有機廢水和纖

2、維素等，底物的種類不同，電池的產(chǎn)電能力也會存在差異。因此，有必要對這一系統(tǒng)中底物對電池產(chǎn)電性能及其他方面的影響進行更加深入的了解。文章詳細闡述了底物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的幾種途徑，重點介紹了不同種底物的生物化學(xué)特性、主要富集的微生物類別及產(chǎn)電性能，分析了底物的種類和濃度對電能轉(zhuǎn)化的影響，提出了微生物燃料電池存在的問題和工作方向，為提高電池的電能產(chǎn)量提供了思路。關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；底物；功率密度；污水處理中圖分類號：X172文獻標志碼：

3、A文章編號：10036504(2011)06010405微生物燃料電池（MFC）是一種新型的生物化學(xué)催化裝置，它利用微生物代替了陽極的金屬催化劑，通過微生物自身代謝，實現(xiàn)了有機物的降解和電子的轉(zhuǎn)移，使化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能[12]。MFC具有能量轉(zhuǎn)化效率高、安全無污染等優(yōu)點，在能源短缺的今天，受到了廣泛的關(guān)注。隨著對MFC興趣的不斷提高，與之相應(yīng)的研究也不斷深入。對MFC的研究開始于1910年，英國植物學(xué)家Pouer把酵母和大腸桿菌放入含

4、有葡萄糖的培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)而獲得了電壓[3]，20世紀80年代，電子傳遞中間體成為研究的熱點，這類介體的廣泛應(yīng)用，使MFC的輸出功率有了很大提高，90年代后，隨著研究的進行，不通過介體而能夠進行電子傳遞的微生物被發(fā)現(xiàn)，就此開始了對無介體MFC的研究[4]。在無介體MFC中，底物作為能量轉(zhuǎn)化的來源，它的類型和利用效率影響著微生物的群落結(jié)構(gòu)及生長速度，這就使之成為了決定產(chǎn)電效率高低的重要因素之一，因此底物分析對提高微生物燃料電池產(chǎn)電能力具有

5、重要意義。1底物化學(xué)能的轉(zhuǎn)化貯存在有機物中的能量通過一系列脫氫反應(yīng)被傳遞。自有機物脫下的氫最終可與分子氧、有機物或無機物等氫受體相結(jié)合，將釋放出的能量轉(zhuǎn)化為電能。有機物的氧化放能主要通過兩條途徑完成，即微生物的呼吸和發(fā)酵。在有氧呼吸的作用下，底物被氧化，釋放出的電子經(jīng)過完整的電子傳遞系統(tǒng)，傳遞給最終外源電子受體———分子氧，從而生成水并釋放出能量，有氧呼吸是獲得能量最多的一條途徑。無氧呼吸是無氧條件下，釋放出的電子經(jīng)過部分電子傳遞系統(tǒng)，

6、最終的電子受體不是氧分子，而是氧化態(tài)的無機物或有機物。由于無氧呼吸所經(jīng)過的電子傳遞系統(tǒng)要比有氧呼吸的短，因此獲得的能量也比較少。在缺少外源電子受體時，許多微生物會以發(fā)酵的形式降解底物，在這一過程中，電子載體將釋放出的電子直接傳遞給底物降解后的內(nèi)源性中間產(chǎn)物，如丙酮酸、乳酸等，由于作為電子受體的中間產(chǎn)物是分解不徹底的有機物，獲得的能量也低于有氧呼吸[5]。目前為止，微生物傳遞電子的形式大致分為兩種：直接進行電子傳遞和利用介體進行電子傳遞，

7、如圖1。2.1乙酸鹽乙酸鹽是厭氧環(huán)境中含量最為豐富的脂肪酸，它可以作為電子供體被厭氧微生物利用[11]，并且是其中一些代謝途徑的終產(chǎn)物，如ED途徑。由于乙酸鹽在室溫下對于其他微生物轉(zhuǎn)化具有不活潑性，使它成為了研究MFC構(gòu)造、操作條件和設(shè)計反應(yīng)器等最常用的底物。能夠氧化乙酸鹽的厭氧微生物多數(shù)為產(chǎn)甲烷細菌（methanogens）和硫化細菌（thiobacillus），以及金屬還原菌（metalreducingbac－terium）中的地桿

8、菌屬（Geobacter）[12]，在此種底物培養(yǎng)MFC的微生物群落中，又以地桿菌（Geobactersul－furreducens）為最主要微生物[13]。Bol等通過使用流動陽極，以乙酸鹽作為底物，使MFC的功率密度達到了3650mWm2，庫倫效率達到了（885.7)%[14]。Chae等比較了分別以乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽和葡萄糖為底物的MFC的產(chǎn)電性能，結(jié)果表明乙酸鹽培養(yǎng)MFC的庫倫效率（72.3%）明顯高于其他幾種底物的電池（分

9、別為36.0%、43.0%和15.0%）[15]。2.2葡萄糖葡萄糖也是最常用的底物之一，它的優(yōu)點在于MFC中產(chǎn)電微生物群落的多樣性，這些不同種微生物降解葡萄糖所產(chǎn)生的副產(chǎn)物種類也相當豐富，副產(chǎn)物又可作為底物被相應(yīng)的微生物利用，從而使電池具有非常高的功率密度[15]。但是由于葡萄糖屬于發(fā)酵型底物，一部分能量用作了微生物自身的生長，庫倫效率就相應(yīng)的降低了很多[9]。厚壁菌門（Firmicutes）在葡萄糖轉(zhuǎn)化中起著重要的作用[16]，其他