微生物燃料电池阳极系统的最新研究进展

张 玲,彭蜀君,叶路生,毛翔洲,谢 晴,但德忠

（四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065）

1 引 言

目前，世界上许多国家都面临着环境污染和能源危机的严峻问题，人类的生存与发展受到了威胁。在“可持续发展”的倡导下，新能源和可持续能源的研究和开发成为当今世界解决这两大危机的重要途径。在此背景下，微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFC）作为一种新型清洁能源，受到各国的广泛关注。

微生物燃料电池是一种结合了废水处理和生物产电的新技术，能在微生物降解有机废物的同时产生电能，且不排放污染物。与其他燃料电池相比，MFC具有独特的优点，如原料来源广泛、反应条件温和、生物相容性好[1]。目前，针对MFC结构、电极材料、运行条件、产电机理等各方面展开了研究[2-3]，尤其是在对产电起主导作用的阳极系统方面取得了一些突破性进展。随着研究的深入，MFC作为污水处理理念的重大革新，既净化了污水又获得了能量，在未来的环境保护和资源化方面将发挥不可估量的作用。

2 MFC工作原理

MFC是利用不同的碳水化合物和废水中的各种物质，通过微生物作用进行能量转换，把呼吸作用产生的电子传输到细胞膜上，然后电子从细胞膜转移到电池阳极，经外电路，阳极上的电子到达阴极，产生外电流；同时将产生的氢离子通过质子交换膜（PEM）传递到阴极室，在阴极和电子、氧反应生成水，实现电池内电荷的传递，从而完成整个生物电化学过程和能量转化过程[4]，见图1。

根据产电原理的不同，MFC分为3种类型：（1）氢MFC，将制氢和发电结合在一起，利用微生物从有机物中产氢，同时通过涂有化学催化剂的电极氧化氢气发电；（2）光能自养MFC，利用藻青菌或其他感光微生物的光合作用直接将光能转化为电能；（3）化能异养MFC，利用厌氧或兼氧性微生物从有机燃料中提取电子并转移到电极上，实现电力输出，这是目前研究最多的MFC。

图1 微生物燃料电池工作原理

3 电子传递途径

MFC利用有机物产电的整个过程中，起决定作用的是电子在阳极区的传递。此过程中，细胞内的电子转移是利用微生物氧化代谢中的呼吸链，使电子经NADH脱氢酶、辅酶Q、泛醌、细胞色素等，或者微生物膜表面的氢化酶转移出细胞。然后，在细胞外的电子还必须通过与膜关联物质，或者可溶性氧化还原介体转移到电极上。

MFC中微生物传递电子到阳极有两种方法：（1）利用外源电子中介体，如铁氰化钾、硫堇、中性红等；（2）利用细菌自身产生的中介体将电子传递给阳极。细菌还可产生纳米导线直接将电子传递给电极。

4 MFC阳极特性

阳极直接参与氧化反应，吸附在电极表面的细菌密度对产电量起主要作用，所以阳极材料和结构的改进可优化MFC的性能。虽然很多材料可以作阳极，但目前主要是以碳为基材包括碳纸、碳布、石墨片（棒）、碳毡和泡沫石墨制作。

4.1 阳极内阻与表面积

两室型MFC中，利用极化曲线测得的阳极内阻包括活化内阻、浓差内阻和欧姆内阻3部分。由微生物代谢及电子传递引起活化阻力的差异是引起阳极内阻差异的主要因素[5]。在接种混合菌时，阳极材质和形式均可影响附着微生物的种类和生物量，进而影响活化阻力的大小。微生物活性越高，参与反应的数量越大，反应阻力越小，从而阳极内阻越小。当阳极溶液穿过多孔电极时，电池的产电性能会大幅度提高，原因是多孔电极减小了溶液穿过电极内部孔隙的传质阻力，使微生物可更有效地在内部孔隙中附着，相当于增大了表面积，从而提高了输出功率。可见，阳极内阻的大小取决于阳极产电微生物的数量，而生物量又取决于阳极实际用于附着微生物的面积。

对于多孔电极，有效孔体积和孔径分布共同影响着微生物的实际附着面积，在相同孔径下，有效孔体积越大，能提供给微生物的附着面积就越大；而适当增大孔径则可减小电极内部的传质阻力，同样也可增大微生物的附着面积。对于非多孔电极，粗糙的表面具有较强的吸附性，可加快微生物的附着速度，并且粗糙的表面亦具有相对较大的表面积，也提高了电极的产电性能[5]。

4.2 表面电位

MFC接种混合污泥后，要经过一个启动期，产电才能达到稳定。阳极表面电位的变化反映了阳极上产电微生物数量和活性的变化。以无介体产电微生物为例，微生物将阳极作为电子受体，其分解有机物产生的电子通过细胞色素或纤毛直接传递到阳极，从而利用这一过程中电子释放的能量作为自身生长的需要。因此，阳极电势越高，微生物获得的能量越多，生长越快。

黄霞等[6]发现，阳极电位越低，其上附着的生物量越多。当表面电位高时，微生物的附着速度反而变慢，这说明微生物在电极上的附着生长并非主要依靠静电吸引作用。由于产电微生物正常生活环境的电势为-300～-400mV，因此较低的表面电位更有利于产电微生物的附着和生长。

研究表明，阳极的表面电位与膜生物量有很大的相关性，过高或过低的阳极电位都会对挂膜量产生不利影响，但对电位具体的高低和生物量的大小目前并没有定量的认识，往往通过附加电路设置不同的阳极初始电势观察挂膜情况和产电情况来寻找合理的阳极电位[6]。值得注意的是，不同环境中存在的混菌群落大不一样，而每种菌对电位的要求也不相同，这之间并无一一对应关系。

4.3 阳极材料的修饰

目前的阳极材料主要以常规碳素材料为主，而对已有电极材料的修饰和新型电极材料的开发力度还不够，因此功率问题一直是影响MFC发展的瓶颈。

高性能阳极应主要具备两个特征：（1）良好的生物相容性，易于产电微生物附着，易于电子在微生物和阳极间传递；（2）阳极内部电阻小，导电性强，阳极电势稳定。

Morozan等[7]发现，碳纳米管和产电微生物具有很高的生物相容性。梁鹏等[8]以碳纳米管、活性炭及柔性石墨作阳极材料，测定其表面特性、产电性能和功率密度，结果发现以碳纳米管作阳极时功率密度最大（402 mW/m2），同时内阻也最小。黄素德等[5]以铜、铝、铁等金属作阳极，发现这些金属电极性能优越，生物吸附性好且成本低廉，利于推广。然而，大多导电性好的金属多为活泼金属，需对电极表面进行相关化学处理，故可考虑将金属氧化成其对应的导电性能优良的金属氧化物，或将活泼金属或其氧化物分散固载于如碳质、导电聚合物等载体上，制成催化剂修饰电极。此外，一些非金属修饰阳极（如导电聚合物），亦具有良好的电化学性能和机械性能。

总之，对MFC阳极的修饰，需找兼具有生物催化性和生物相容性的材料，并将其与普通电极材料进行固定。MFC高性能阳极材料的研究，将有效提高MFC的产电性能，是促进微生物细胞内电子向电极表面转移的关键。

5 阳极产电微生物的种类

产电微生物从早期的介体型细菌到无介体型细菌，再到最近的自介体型细菌的发现，表明产电微生物的种类较分散，来源较广泛，大致来自于细菌域的3个分支，即变形菌、酸杆菌和厚壁菌[9]。

5.1 大肠杆菌（Escherichia Coli）

大肠杆菌电化学活性很低，需富集纯培养，其纯菌种产电的性向单一明了，代谢产生的电子需外源中间体的参与才能传递到电极表面。该类细菌在厌氧条件下均能发酵产氢[10]，主要集中于电子传递过程中化学介体的选择和菌体-介体组合的研究。此类菌还包括枯草杆菌（Bacillus）、变形菌（Proteus）和脱硫孤菌（Desulfovibrio Desulfuricas）等。

5.2 地杆菌科（Geobacteraceae）

有很好的遗传背景，属δ-proteobacteria。以G.Sulferreducens为例[11]，在有机物降解过程中，可以只用电极作电子受体而完全氧化电子供体；在无氧化还原介体的情况下，可以定量转移电子给电极。这种电子传递归功于吸附在电极上的大量细胞。由于G.Sulfurreducens的全基因组序列的测序已经完成，所以目前基本都是以G.Sulfurreducens为模式菌进行MFC的研究[10-11]。该类菌还包括G.metallireducens，G.Psychrophilus，Desulfuromonas Acetoxidans与 Geop Sychrobacter Electrodiphilus等。

5.3 腐败希瓦氏菌（Shewanella Putrefaciens）

希瓦氏菌由于其呼吸类型的多样性而得到广泛研究应用。Kim等[12]采用循环伏安法研究S.Putrefaciens MR-1、S.Putrefaciens IR21和SR221的电化学活性，分别以这几种细菌为催化剂、乳酸盐为燃料的微生物燃料电池，发现不用氧化还原介体，直接加入燃料后，电池的电势都有明显提高，说明该类细菌是通过细胞膜直接传递电子的。

5.4 红螺菌（Rhodoferax Ferrireducens）

红螺菌是一种氧化铁还原微生物，相比其他产电菌，其最重要的优势就是它能将糖类物质转化为电能，并能完全氧化葡萄糖。铁还原红螺菌将糖类转化为电能的效率高达80%以上[13]，是一种高效的产电菌，这将大大推动微生物燃料电池的实用进程。

除上述几类细菌外，丁酸梭菌[14]、粪产碱菌、鹑鸡肠球菌和铜绿假单胞菌等[15]也有产电能力。

总之，目前了解的比较高效的产电微生物主要集中于固体金属氧化物还原菌（属变形菌，革兰氏阴性），这部分细菌的自然生长条件与微生物燃料电池的条件类似，电子传递方式也有共同之处。最新研究发现，一些低G+C革兰氏阳性细菌也能产电，它们能降解有机物，发酵葡萄糖产酸产气，但不能直接分解糖类，其能量来源是氨基酸代谢和呼吸[13]。但由于革兰氏阳性菌细胞壁厚度远大于阴性菌，故电子穿过细胞壁的传递效率并不理想，因此其产电能力相对较弱。该类细菌以酸杆菌门、弯曲杆菌和螺杆菌科为主。

6 阳极生物膜的驯化方式

MFC运行初期往往要经历一段时间的启动，这是阳极生物催化的迟滞期，又称适应期，是由于微生物本身对环境的适应引起的。适应期内细菌不会立即繁殖生长，此阶段内微生物会产生适应酶，当适应环境后，微生物才进入加速生长期。目前MFC的启动时间大多都在100～300 h左右，这并不利于MFC产电效能的发挥。

MFC达到稳定电流平台的时间是微生物吸附在电极上逐渐形成成熟生物膜所需的时间，电流的大小受生物膜的影响。目前报道的细菌生物膜驯化法主要是针对无介体型产电微生物，而驯化的详细操作过程却鲜见报道。

Eun Jeong Cho等[16]利用系列转接法（Serial Transfer）对无介体型产电微生物进行了驯化，在液体培养基内加入燃料及电子受体，利用稀释法对稀释获得的菌悬液厌氧培养。该法操作简单，能提高微生物的厌氧适应性，但对其电催化活性能力的提高非常有限。郗名悦等[17]尝试利用此法驯化介体型产电微生物E.coli，发现该法会造成培养液内出现墨绿色沉淀（添加电子介体新亚甲基蓝所致），不利于介体型生物膜的驯化。Rabaey[15]采用多次刮移生物膜法（Scrap off the Biofilm）对混合产电菌（污泥、废水）驯化，效果显著，但缺点是驯化次数多达7次，时间长达63d。

通常的多次刮膜操作会造成膜电化学活性的损失并延长膜再成熟的时间。采用在线驯化法[17]，通过MFC伏安曲线判断生物膜的成熟，当MFC电流值达到恒定的最大值（Imax）即表示电极上成熟生物膜已形成。该法在判断上更可靠并省去了繁琐的刮膜操作，为驯化方式的改进提供了参考。

此外，通过选择适合的菌种进行复合培养，使之在生物膜中建立起互利共生关系，能促进缩短挂膜时间，同时有较高的功率输出[18]。Rabaey等[9]利用Geobacteraceae Desulfuromonaceae、Alteromonadaceae、Enterobacteriaceae、Pasteurellaceae、Clostridiaceae、Aeromonadaceae和Comamonadaceae等菌属所构成的菌群进行复合培养，最终得到的电流密度是单菌培养的6倍。

采用独立驯化和在线驯化相结合的新颖方式，以碳毡、碳布和碳纸为阳极挂膜材料，考察驯化方式和阳极材料对无介体MFC产电性能和有机物去除效果的影响。结果表明，独立驯化期阳极材料特性对微生物挂膜的影响较大，扫描电镜结果表明挂膜效果最好的是碳毡，碳布次之，碳纸较差；在线驯化约10h后，微生物催化剂的电化学活性显著升高，第2个周期电压达到峰值（碳毡、碳布、碳纸，峰电压分别为0.803V，0.604V和0.574V），第3个周期MFC能长时间稳定运行。其中碳毡MFC电压平台维持在0.78V左右长达180 h；比较MFCs的产电能力优劣顺序为：碳毡（1 339.6 mW/m3）＞碳纸（96.8 mW/m3）＞碳布（80 mW/m3），COD 去除率为：碳毡（89.5%）＞碳纸（79%）＞碳布（74.7%）。该法无须刮移生物膜，操作简便，阳极产电性能高于文献报道，利于推广。

7 问题及展望

7.1 阳极研究中存在的问题

理论上，MFC的能量转化效率可达90%，而实际应用时效能却一般。原因主要有以下5个方面：（1）氧气向阳极室的扩散，使得部分有机质在阳极室内直接将电子传递给氧气，使厌氧微生物生长受到抑制；（2）污水原水中通常都含有替代性电子受体如硝酸盐、硫酸盐和铁盐等，使阳极室内电子传递路径受到干扰；（3）若用混菌接种，细菌之间的竞争生长机制会造成相互争夺营养物质或其他代谢产物，故接种混菌的种类不宜过多；（4）阳极上产电微生物的驯化不易控制，从数天、十几天或几个月时间不等[9，17]，并在产电过程中伴随着膜的成熟、脱落与再生，故输出功率难以长时间保持稳定；（5）目前阳极主要为平板式和填料式两种，前者的缺点是增大阳极面积必须增加反应器体积，不利于电池的微型化开发，而后者虽能增大微生物附着的表面积，但就单位表面的微生物产电来看，两者的产电性能没有显著的差异。

7.2 展望

7.2.1 阳极材料的研究

除试图增大微生物的附着面积、提高附着量外，还应通过在电极表面进行金属纳米粒子、碳纳米管等物质的修饰，利用纳米材料的尺寸效应、表面效应等特性来实现生物膜的附着和直接快速的电子传递[8]。提高阳极性能另一个关键是能接收到数量更多、更稳定的胞外电子，因此能提供更多与细菌个体匹配的空位也是今后阳极材料选择与研究的方向。

7.2.2 挂膜方法的研究

对挂膜方法的研究应主要侧重于如何缩短产电微生物的驯化时间，增加膜量以及降低内阻等方面，这是MFC实用化过程中必须解决的问题。同时，研究混菌共生膜环境中各种微生物的最适生态位，将有利于菌种的选择和培养。

7.2.3 产电微生物的研究

随着电子传递距离的增加，电子传递速率呈指数下降的趋势。酶分子蛋白质的外壳对直接电子传递产生了屏蔽作用，引入介体一定程度上可提供有效的电子传递通道。然而，该法又增大了电子传递距离，其总体的效果还不令人满意。因此，对高活性微生物的筛选，特别是寻找自身可产生氧化还原介体的微生物以及具有膜结合电子传递化合物质的微生物，是未来MFC研究的重点。同时微生物对新环境的不适应常常是阳极极化的原因之一，需进一步深入研究在不同电流下电极表面与细菌表面的微观结构变化，并开展连续式无介体微生物燃料电池的研究。

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