电化学活性微生物在微生物燃料电池阳极中的应用

张人杰

牡丹江大学

电化学活性微生物在微生物燃料电池阳极中的应用

张人杰

牡丹江大学

微生物燃料电池是利用产电菌代谢有机物产生电子，将该电子传递到外电路中输出电能从而进行发电。是一种新型的清洁能源。其中阳极电化学活性微生物是影响微生物燃料电池产电效率的关键因素之一。本文就电化学活性微生物的富集、分离，应用以及影响电化学活性微生物产电能力的主要因素进行了综述，为微生物燃料电池研究的不断深入提供理论依据。

电化学活性微生物；微生物燃料电池；阳极；应用

1.引言

微生物燃料电池（MFC）是利用产电菌代谢工业生产产生的有机废水废物、动物和人类排出的粪便、生活垃圾废物、农作物秸杆废弃物等可生物降解的有机物，其代谢过程产生电子，将该电子传递到外电路中输出电能从而进行发电。微生物燃料电池是一种新型的清洁能源，因其具有良好的环境效应、经济效应和社会效应，受到了广大科研人员的普遍关注[1]。目前产电菌主要为具有电化学活性的微生物，该类微生物能够通过细胞自身的生理代谢产生电子从而被加以利用是微生物燃料电池功能实现的关键。因此通过对各产电微生物的生理生化特性以及阳极表面的电子传递机制进行深入研究、发现优良产电微生物、探讨并研究菌种之间的协同作用，有助于提高电化学催化能力，促进微生物燃料电池的实际应用推广。

2.电化学活性微生物的来源、富集、分离及鉴定

微生物种类繁多，在自然界中的存在形态多种多样，环境中存在着大量电化学活性微生物。如何将一株目标微生物进行富集并分离是研究的关键所在，通常情况下利用其菌落生长特性借助生物学技术对其进行分离及分类学的鉴定。然而通过排除微生物种间相互作用，简化体系进行的纯培养能够实现微生物的富集和分离，但微生物的营养结构和生存环境会变得非常单一，致使微生物的自然生存方式和共同协作功能紊乱，可见，能够单纯从环境中分离的微生物很少[2]。更多时候需要采用人工方式通过控制pH值、温度、光照、溶解氧等优化培养条件，选择适宜的培养基有利于微生物的生长丰富电化学活性微生物的来源、实现微生物的分离。

目前多利用生理生化、形态学、生物学特性进行微生物的鉴定。核糖体基因RNA(rRNA)具有保守性同时又具有可变性，保守性是其生物物种亲缘关系的反映，可变性是生物物种进化的差异表现，因此利用rRNA基因用于生物物种分子鉴定具有可行性。常用的方法主要有ITS序列和16S rRNA基因。

3.电化学活性微生物的应用

电化学活性微生物具有去除污染与产电的双重功能，随着对其性能研究不断的深入，电化学活性微生物应用于微生物燃料电池逐步进入实践阶段。融入到多种领域。

3.1 产电

传统的微生物燃料电池产电值较低，难以保证稳定的功率输出。随着近年来电化学活性微生物的引进，微生物燃料电池的功率输出大为提高，能够作为发电器直接使用，直接提供能源，稳定功率输出，实现了为气象浮标等远程监测仪器供电的可能[3]，得到了广泛关注。

3.2 污水处理工艺

在微生物燃料电池运行过程中，阳极的污染物被降解，可作为一种新型的污水处理工艺。对污水的去除效果良好，去除率可高达90%以上[4]。通过连续流管状反应器，调节水力停留时间，实现污水连续处理。特别是使用溶解氧的液体阴极，阳极没有得到有效去除的有机质流进阴极室，其好氧处理作用将显著提高污染物去除效率。

3.3 强化型原位生态修复

当污染区域缺乏电子受体时装置微生物燃料电池，其阳极作为一种外加的电子受体，可加速污染区有机质的降解。微生物燃料电池作为一种生态修复技术，装置于有机质污染的土壤、湿地、沉积物中，使其自行运行，在微生物的共代谢作用下，去除有机质，消除污染物，强化型原位生态修复。

3.4 还原氧化态污染物

在去除有机污染物的同时，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，电子传输于外电路中产生电流。在反应过程中氧化态的污染物反硝化作用来脱氮被还原，毒性降低或转化成易降解的物质。该反应基于电化学活性微生物的活性，具有启动时间短、输出功率高的优点。摆脱了对微生物的依赖，获得了较高的功率输出。

4.影响电化学活性微生物产电能力的主要因素

提高电化学活性微生物产电能力是工艺实用化过程中必须解决的主要问题。一方面由于环境中微生物的多样性使得水处理器中涉及到除产电微生物以外的多种功能菌生长，影响了电化学活性微生物在水处理器中的适应性，降低了膜上菌种生态位的竞争力与更替，影响了系统产电的稳定性，通过缩短产电微生物的驯化时间、增加膜量以提高电化学活性微生物产电能力。另一方面污水的性质是影响产电能力的重要外因，污水成分越复杂，电子供体种类越多，不能保证电极作为电子供体的唯一性，从而影响整个电池的电能输出，影响其产电的稳定性和持续性。污水的性质和特点是影响电化学活性微生物产电能力的重要参考。

5.总结与展望

随着微生物燃料电池研究的深入和全面开展，其产电机制逐渐明了，其性能的优化研究已取得了显著的成就，但产电菌的功能基因与生理特征，如何降低成本、增加输出功率，协调去污与产能的关系等问题尚待解决。在学者们共同努力之下，微生物燃料电池已经步入实践阶段。微生物燃料电池在去除污染和探索清洁新能源领域具有可预见的应用前景，但还存在着启动与运行成本高昂、较大功率输出的维持等主要问题。尚需科研人员不断研究改进，最终将微生物燃料电池应用于规模化生产，真正服务于人类。

[1]王维大,李浩然,冯雅丽,等.微生物燃料电池的研究应用进展[J].化工进展,2014,33(5):1067-1076.

[2]肖勇,吴松,杨朝晖,等.电化学活性微生物的分离与鉴定[J].化学进展,2013(10):1771-1780.

[3]Song T S，Jiang H L.Effects of sediment pretreatment on the performance of sediment microbial fuel cells[J].Biore-source Technol⁃ogy,2011,10465-10470.

[4]谢晴,周芸.微生物燃料电池与污水处理工艺结合应用进展[J].水处理技术,2015(1):5-8.

张人杰（1985-）女，汉，黑龙江人，本科，讲师，研究方向：微生物学。