微生物发电及其应用研究

王玮瑶，张铁瀚

（湖南工程学院 应用技术学院，湘潭411104）

0 引 言

当今社会，能源的缺乏以及环境污染已成为世界最关注的问题之一，即能源愈来愈匮乏，而生活垃圾（含生活污水）愈来愈多，在不远的未来将严重地影响着人们的日常生活.能否让当今社会日益增多的污染物转变为不断缺乏的能源呢.环保界有这样一句话：＂世界上本没有垃圾，废物是放错了地方的资源＂.目前广泛采用的生活污水处理技术主要包括好氧生物处理和厌氧生物处理两种方法.前者要消耗大量能量，运行费用高；后者运行费较低，但甲烷的回收利用问题没有得到很好的改善.有机废水中含有大量易生物降解物质，如果能够利用这些物质直接回收能源，则将克服传统污水生物处理的固有缺点，并从根本上缓解当今人类面临的水污染与能源短缺问题.所以，文章提出利用微生物来发电，一方面可以改善污水问题，另一方面可以缓解能源短缺问题.

1 基于微生物发电的探究

1.1 基本原理

微生物发电就是在含有有机物的培养液中，细菌群可以得到丰富的食物来源，让它们得以生存和繁衍，而在这个过程中，细菌群可以向阳极释放电子，电子通过阳极与阴极相连的导线移动到阴极，而电子在导线中的运动过程就形成了人们所需要的电流.那么选择何种微生物比较安全且在日常生活中易获取和培养至关重要.目前的研究已证明，可用于发电的细菌有脱硫菌家族，这个家族的细菌在淡水环境中很普遍，而且已被广泛用于消除含硫的有机污染物.在外界环境不利或养分不足时，脱硫菌可以变成袍子态，而袍子能够在高温、强辐射等恶劣环境中生存，一旦环境有利又可以长成正常状态的菌株.

1.2 研究进展

目前，微生物发电在许多国家已开展研究.广泛使用的沼气发电也是微生物发电原理的间接应用之一（微生物分解垃圾，产生沼气，再利用沼气发电）.

有科学家提出，牛胃液可产生等同于1节5号电池的电力，电能源自牛胃液中的微生物.据西班牙皇家化学学会新近公布的一项研究报告宣称，牛胃液中所含的细菌群在分解植物纤维的过程中能够产生电力，电能约与1节5号电池相当.牛羊等反刍动物都有两个胃，牛的第一个胃被称为瘤胃.瘤胃分泌的胃液中含有大量微生物，当牛进食含有大量植物纤维的食物时，胃液中的微生物便将植物纤维分解，分解过程中便产生了电子.科学家利用针头和玻璃除菌箱将牛的胃液导出，并模拟牛的消化过程，利用胃液中的微生物成功产生了电力.半公升牛的瘤胃胃液中含有的微生物约能产生600mV的电能.

这种微生物在牛的粪便中也有，而牛的粪便又可以直接给燃料电池提供能量.用牛粪制成的燃料充电电池每节电池能够产生300mV到400mV的电能.

也有以玉米淀粉生产过程中的浸泡液 （玉米浸泡液）作为接种液和基质，利用“三合一”膜电极的单室空气阴极微生物燃料电池进行试验，采用在线监测电压和废水分析方法对发电功率和化学需氧量（COD）、氨氮进行测定，探讨高COD、高氨氮有机废水产电及废水处理的可行性.结果表明，经过94d（1个周期 ）的连续运行（固定外电阻为1000Ω），17d时输出电压达到最大（525.0mV），稳定期最大输出功率可达169.6mW／m2，此时电池相应的电流密度为440.2mA／m2，内阻约为350Ω ，开路电压619.5mV；但燃料电池电子利用效率较低（库仑效率为1.6%）；1个周期结束时浸泡液的COD去除率达到51.6%，氨氮去除率25.8%.本试验利用玉米浸泡液成功获得电能，同时对浸泡液有效地进行了处理，为其资源化利用提供新途径[1].

我国福建圣农集团早就采用鸡粪和谷壳为燃料进行高效率流化床焚烧直接燃料，开展生物质发电研究.它虽然可以解决一些废用粪便等问题，但仍然存在诸多环境污染问题，比如锅炉烟气中SO2、NO2烟尘对周围环境空气的影响；该项目产生的生产工艺废水和生活污水最大产生量为11.4TH，直接排出会导致水体污染.还有就是该项目燃料储存仓产生异味，燃料中转点和燃料运输等环节的无组织排放的恶臭对周围环境空气的影响等问题.[2]

目前利用微生物研发电池取得的进展比较大.微生物燃料电池 （microbial fuel cell，MFC）是近年发展起来的清洁能源技术，它能通过微生物将化学能转化为电能，达到同时处理废水和生物发电的目的，利用这种技术处理废水是目前研究的主要方向之一.MFC分为单室型和双室型2种构型，其中不使用质子交换膜的单室结构，内阻低 ，输出功率高；同时，单室型反应器具有结构简单、造价低 等特点，在污水处理领域具有广阔的工程应用前景.MFC的产电性能与废水底物类型、有机物浓度等有密切关系，以及溶液的离子浓度，而目前在应用单室型MFC处理实际废水的研究中，进水COD负荷还比较低，仍然缺少对运行参数优化和影响条件的研究.

目前制约MFC功率密度的最大因素是电子传递过程.电子转移速率由电子供体与受体间的距离等多种因素决定.

2 微生物发电试验

2.1 试验设计

首先需要验证微生物发电的可行性.实验的前期工作很重要，如大肠杆菌培养基尝试制作实验、制作伊红美蓝培养基检测培养大肠杆菌的实验、配制新的培养基并对大肠杆菌进行扩大培养的实验等.培养大肠杆菌方法步骤如下.

2.1.1 采集水标本

步骤一：充分利用本地区资源，采集水标本500 mL，静置沉淀；

步骤二：过滤静置后的水标本150mL（先将滤纸折好，用玻璃棒抵住3层滤纸的一边，让标本水沿着玻璃棒流进滤纸内）；

步骤三：将该过滤后的滤纸保存下来.

2.1.2 配制培养基

步骤一：①称取5g琼脂，2g牛肉膏，2g蛋白胨.②配置成200mL营养液.

步骤二：①因为伊红微溶于水，所以改进了进行溶解的方法（将沸水缓慢加入到依红粉末中，同时保持加热，并进行搅拌，使其最大程度溶解）.②但即使采取上述方法，依然有大量未溶解的伊红粉末，于是过滤，配制成100mL伊红溶液.③由于美蓝极易溶于水，所以配制100mL浓度极低的美蓝溶液.④将配好的依红溶液和美蓝溶液再按10∶1混合，配置成50mL伊红美蓝混合液.

步骤三：①将伊红美蓝的混合液与步骤一中配制的营养液混合（图1所示）.②加水，制成250mL的伊红美蓝培养液.③加热搅拌，使其混合均匀.

步骤四：①将已消毒的培养皿周围点上酒精灯.②将步骤三中配制好的伊红美蓝培养液倒入该培养皿中，并盖好转移到一个温度较低的阴暗环境，有利于其保存.

步骤五：最后制作出的培养基是呈紫色，半透明，凝固的胶体.

图1 培养基的制作

2.1.3 接种

步骤一：①将凝固后的培养基放在点燃的酒精灯旁.②用镊子在酒精灯上进行消毒工作（图2所示）.

步骤二：①待镊子冷却后，夹起步骤1中的滤纸（过滤过水的滤纸），在火焰旁打开该培养皿盖.②将步骤1中的滤纸的过滤面覆盖于培养基上.③将接种后的培养基转移到有阳光或温度较高适宜微生物繁殖的地方，加速其繁殖.

图2 培养基的接种

步骤三：用正规的接种方式将其他几个培养基蘸水接种.

2.2 试验发电

将配制好的培养液和大肠杆菌液各倒50mL入两个大小相同的烧杯中，盐桥相连接两个烧杯；然后用硌酸洗涤铂电极的铂质电极头，再用蒸馏水清洗一遍，以洗去残留在电极头上的硌酸；将铂电极和甘汞电极甘汞电极与微安电流表相连接（图3所示）；再将甘汞电极与铂电极插入大肠杆菌液中，观察微安电流表，发现指针偏转约为3～4uA.实验证明微生物确实可以发电（图4所示）.

图3 发电试验装置

图4 发出的电流使电流表指针偏转

需要注意的是：在验证发电的时候，需要排除其他实验材料发电的可能性，所以需要做几组对比试验，才能准确的验证确实是有活性的，在繁殖的大肠杆菌才能发电.还有就是实验消毒环节要注意，微生物的接种必须在紫光灯实验环境下.

3 应用研究

目前，微生物发电的应用研究主要基于微生物燃料电池领域.在能源和水资源日益匮乏的今天，融合了产生电能和废水处理两个功能的微生物燃料电池在新能源领域正受到广泛关注.微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFCs）是一种利用微生物作为催化剂，直接将有机物的化学能转化为电能的装置.利用MFCs可直接降解水中的有机污染物，同时产生电能，回收有机污染物的部分化学能，这种变废为宝的优势使MFCs近年来在废水处理及新能源开发领域的研究成为热点.

以葡萄糖作为燃料电池的燃料，阴阳两极的电化学反应式如下.

如式（1）、式（2）所示，在阳极室中，微生物通过呼吸作用催化底物脱氢，产生电子，此时阳极电极作为临时的电子受体吸收电子，并通过回路将电子传递到阴极表面，O2作为最终电子受体与通过质子交换膜传递过来的氢质子结合生成H2O.阳极室内，微生物产电、产氢并进行传递，是 MFC产电的关键.从动力学因素看，微生物自主放电的活化势比较高，使其在电极表面的反应速率低.所以培养驯化产电效率高的菌种以及扩大阳极表面积，富集更多微生物，生成更大面积的生物膜，是提高电能的方法.目前，人们围绕产电性能的提高，从电池结构的设计、电极材料的选择、产电产氢菌的培养以及对电解质溶液环境的改变（如pH值、温度、离子强度等）等各个方面进行研究取得了一定的成果[3].

[1]卢 娜，周顺桂 ，张锦涛，倪晋仁，等，利用玉米浸泡液产生电的微生物燃料电池研究[J].环境科学报，2009，30（2）.

[2]李家兵，等.生物质发电技术在治理规模化养鸡场鸡粪污染中的应用——以福建圣农集团为例[J].能源与环境，2008（2）.

[3]崔娅楠，由宏新，等，利用生物活性炭提高微生物燃料电池产电性能[J].化工进展，2009，28（11）.