土壤微生物燃料电池的研究进展及展望

杨政伟，顾莹莹，赵朝成，张秀霞，李士恩

(1中国石油大学（华东）环境与安全工程系，山东 青岛 266580；2华北油田公司第五采油厂，河北 石家庄 050000)

土壤微生物燃料电池的研究进展及展望

杨政伟1，顾莹莹1，赵朝成1，张秀霞1，李士恩2

(1中国石油大学（华东）环境与安全工程系，山东 青岛 266580；2华北油田公司第五采油厂，河北 石家庄 050000)

微生物燃料电池(microbial fuel cells, MFCs)是一种利用产电微生物将化学能直接转化为电能的技术，其在运行期间不消耗外界能量且无二次污染，日益得到人们的广泛关注。土壤因富含有机质和庞大的微生物种群，是产电微生物的“天然培养基”。 近几年来，以土壤为基质的MFCs在产电、土壤污染评价和修复等方面展现了较大的研究潜能和应用前景。本文全面介绍了目前MFCs在土壤产电、有机污染物降解、重金属污染治理、温室气体减排以及生物传感器等方面的应用研究；总结了目前土壤MFCs研究中应用的反应器构型、电极和产电微生物种群；在此基础上提出了以土壤为基质的MFCs在研究及应用过程中存在的主要问题，并对其研究前景进行展望。

土壤；燃料电池；修复；电化学；应用现状；问题和展望

引 言

微生物燃料电池(MFCs)是近十几年来迅速发展起来的一种直接将生物能转化为电能的新兴技术[1]。在MFCs中，聚集在阳极的产电微生物依靠自身的催化代谢作用催化降解环境中的有机物和一些还原性无机物并释放电子和质子，电子通过外部导线流向阴极，质子则从内部流动至阴极，与阴极电子受体和电子反应，产生电流[2-6]。MFCs因其将化学能直接转化为电能，不需要外界能量输入，且不产生二次污染等优点，在产电和环境污染修复等方面具有良好的发展前景[7-8]。

近十几年间，MFCs的研究发展迅速，研究者在改进反应器的构型、寻找廉价高效的电极材料以及低成本催化剂的研制等方面都做了大量研究[9-14]，但目前大多数的研究致力于开发 MFCs在生活污水、工业和其他类型废水处理中的可放大技术[15]，而对于土壤等其他复杂固体废弃物为底物的 MFCs的研究相对较少。众所周知，土壤中含有丰富多样的微生物，分布广、易获取，其有机质和产电微生物资源庞大[16]，因此MFCs应用于土壤污染评价和修复方面具有较大的研究潜能和应用前景。

1 土壤MFCs研究进展

目前人们对于土壤MFCs的研究主要围绕着产电、有机污染物降解、重金属污染治理、温室气体减排以及生物传感器等方面展开。

1.1 土壤MFCs产电研究

土壤中广泛存在的产电微生物可利用有机质为底物、氧气或硝酸盐等为电子受体进行自发产电。Wolinska等[17]构建的土壤MFC分别以葡萄糖和稻草作为碳源，调节土壤湿度，装置运行一段时间后，发现以葡萄糖和以稻草为碳源的 MFC都有明显的电压产生[分别为(372.5±5) mV、(319.3±4）mV]，功率密度可分别达到 32 mW·m-2、10.6～10.8 mW·m-2。说明土壤 MFCs的产电能力会因土壤的性质如碳源、含水率等不同而有差异，但因土壤来源广泛，是一种可与污泥、废水及沉积物MFCs相媲美的产电系统。Dunaj等[18]构建农业土壤 MFCs和森林土壤 MFCs，研究土壤有机物、营养物、细菌群落结构和MFCs的性能之间的关系。虽然农业土壤的碳氮比、多酚含量和乙酸盐浓度要比森林土壤 MFCs低，但装置运行一段时间后，农业土壤MFCs得到了42.49 mW·m-2的功率输出密度，是森林土壤MFC(2.44 mW·m-2)的17倍，原因可能是森林土壤中的有机物质矿化度较高，导致可用有机物质的量比农业土壤低。Afsham等[19]构建MFC来研究土壤和地下水的产电特性，同时研究阴极室硝酸盐的去除。研究发现MFCs石墨阴极上的生物膜形成可有效提高功率输出，最大功率密度可达到89.2 mW·m-2，硝酸盐在需氧阴极中和厌氧阴极中的日还原速率分别可达 37.5 mg·L-1和 55 mg·L-1。

另外，还有学者组建了土壤MFCs与植物根系相耦合的微生物电化学产电体系。如Kaku等[20]设计了水稻耦合MFC，水稻根部分泌的有机物可以被微生物直接利用，从而提高MFCs的性能。结果表明，MFCs的最大功率密度可达到6 mW·m-2。Chen等[21]构建了一种新颖的土壤MFC，阴极埋在水稻土壤中来捕获稻根中释放的氧，可以实现约5 mW·m-2的功率输出。Dominguez-Garay等[22]通过在低导电率稻田土壤中刺激二氧化硅胶体的原位形成来改变土壤理化性质，增强土壤MFC的性能。结果表明:二氧化硅胶体网络的存在降低了土壤电阻率，增强了离子迁移率，将功率输出提高了10倍。同时硅胶形成可以防止水分的丢失，并有利于产电微生物更好地利用如乙酸盐或天然水稻根系分泌物等电子供体。Helder等[23]开发了一种无硝酸盐且富含铵的植物生长培养基来弥补阳极和阴极之间的pH差异，从而达到改善植物的生长和提高产电量的目的。结果表明，使用新的植物生长培养基，大米草植物耦合 MFC的最大电流产量由原来的加入磷酸盐缓冲液的 186 mA·m-2增加到 469 mA·m-2。

综上可见，虽然目前土壤MFCs的产电量较低，难以满足日常的用电需求，但目前的研究证明土壤MFCs是具有产电潜能的，未来可通过改进 MFCs构型、串联多个MFCs等手段来提高产电性能。

1.2 有机污染土壤修复

在MFCs中，大多数有机污染物可以在阳极附近被氧化去除，且去除效率较高。这是因为在阳极的微生物可直接将有机物氧化，产生电子和H+，并与阴极的电子受体如O2结合生成水，加速分解有机污染物。Rodrigo等[24]构建MFC来修复DBT(二苯并噻吩)污染土壤。系统运行一段时间后，DBT的修复效率达到自然消减的3倍，并降低了土壤50%的毒性。Huang等[25]构建MFCs修复苯酚污染土壤。研究表明，MFCs运行10 d成功去除了土壤中90.1%的苯酚，而未使用MFC和处于开路状态下的MFC对苯酚的去除率分别为12.3%和27.6%。Cao等[26]使用 MFC来降解土壤中难降解的六氯苯。结果表明，当外电阻为1000 Ω时，得到了77.5 mW·m-2的最大功率密度，71.15%的六氯苯被去除。弋舒昱[27]成功构建农田土（pH=7，土壤含水率=40%）MFC降解土壤中的六氯苯（HCB）。结果表明，在56 d的时间内形成4个产电周期，闭路土壤MFC对 HCB的去除率为 53.54%，高于断路土壤 MFC的36.08%。

土壤中的石油是一种成分复杂的有机污染物，其在缺氧或厌氧的土壤环境中降解效率通常较低。土壤MFCs的构建对于石油污染土壤的修复提供了一种较有前景的原位修复技术。Wang等[28]构建 U形管土壤MFC，并首次将MFC应用于实际污染土壤的修复。装置运行25 d后，靠近阳极(<1 cm)的石油烃的降解速率从(6.9±2.5)%提高到(15.2±0.6)%。Li等[29]的研究通过向土壤MFC中添加外加碳源（葡萄糖）显著提高了MFCs降解盐碱地中石油烃的效率，总石油烃降解率提高 200%。研究表明了污染土壤中有机质组分和含量的不同会对MFCs的修复效果有显著影响，该研究为从土壤贫瘠的地区或极端环境去除污染物提供了一种有效的方法。Li等[30]的另一项研究通过冲洗被石油污染的盐碱土壤并向土壤中添加碳纤维来研究土壤含盐量和电导率对MFCs的修复影响。结果表明，处理后的土壤碳氢化合物的降解率提高了 484%，特别是大分子量组分（C28～C36的正构烷烃和4～6环的多环芳烃）的降解率大大提高。该研究为通过改善土壤理化性质提高土壤MFCs修复效率提供了新思路。Zhang等[31-38]均通过构建MFCs进行石油污染土壤的降解修复研究，他们的研究也证明了MFCs可大大促进土壤中石油污染物的原位降解。

1.3 重金属污染土壤修复

由MFCs的工作原理可知，理论上MFCs阳极可以将可溶的低价态金属离子氧化为不溶的高价态金属氧化物，阴极可将一些氧化性较强的重金属离子还原成低价低毒物质。Huang等[39]构建MFC修复Cr(VI)污染土壤，通过接种Cr(VI)污染的土壤微生物，成功在生物阴极实现了 Cr(VI)的还原。在Cr(VI)初始浓度为 39.2 mg·L-1时，Cr(VI)的还原速率为(2.4±0.2) mg·(g VSS)-1·h-1。Wang 等[40]采用玻璃圆筒构建垂直土壤MFC来修复Cu污染土壤。结果表明，装置运行58 d后，可溶性Cu和总Cu含量从阳极到阴极逐渐增加。其原因可能是 Cu2+和H+存在竞争迁移，MFCs主要促进了Cu2+的迁移，而不是Cu2+的还原。Habibul等[41]研究了双室MFC与电动力耦合法修复Cd和Pb污染土壤的可行性。MFCs阳极室以乙酸盐为底物，阴极室分别为 Cd和Pb污染土壤，利用MFC产生的弱电场为污染土壤中的重金属的迁移提供动力。随着产电微生物将底物氧化分解，土壤中的重金属离子在弱电场作用下从阳极向阴极迁移，部分重金属离子在阴极被还原。装置分别运行约143 d和108 d后，阳极区域Cd和Pb的去除效率可分别达到31.0%和44.1%。

目前对于MFCs修复重金属污染土壤的研究仍然相对较少，主要是因为重金属离子吸附在土壤颗粒表面难以迁移，使用MFCs还原重金属离子效果不够理想。但MFCs在处理过程中，可以产生电能，不依靠外界能量，不产生二次污染，具有良好的前景，需要进一步的研究和探索。

1.4 温室气体减排

有研究发现，MFCs应用于土壤中也可减少植物温室气体的排放。邓欢等[42]以稻杆质量分数0.5%的土壤为底物，淹水种植水稻后运行MFC。装置运行98 d后发现CH4的排放量明显降低，而水稻株高、地上和地下部分生物量及产量没有明显变化。可能原因是产电菌在竞争底物有机物时占据了优势，抑制了产甲烷菌的活性。但该结果只是在土壤有机质含量较少时得出，土壤有机碳较多时反而会增加CH4的排放量。Arends等[43]设计水稻-MFC对温室气体排放的抑制作用。结果表明将 MFC的阳极放置在水稻根际中，可在短期内抑制甲烷的排放。 而从长期而言(即完全水稻种植季节的时期)，由于根际中有机物过量，甲烷排放会恢复到正常水平。目前，MFC用于植物温室气体排放的机制尚待进一步深入探索，但土壤MFCs的应用为温室气体减排提供了新的方向。

1.5 土壤生物传感器

人们发现土壤MFCs还可作为一种实时、连续的生物传感器技术。Brunelli等[44]提出了一种用于植物健康状态的无电池监测系统的设计，创新性地利用 MFC技术作为联合电源和生物传感器，通过MFC电流和功率输出的改变，来实时监测评估居住在周围环境中的植物的长期健康。姜允斌等[45]利用双室 MFC实时、连续观测芘污染土壤产电量，结果表明 MFC产电量随芘浓度增加而显著降低，从而可以实时监测土壤芘污染程度。Deng等[46]以5%浓度葡萄糖作为底物，构建不同浓度Cu2+污染土壤MFC。装置运行150 h后，在无Cu对照组中的48 h产电量为32.5 C，且产电量随着Cu2+浓度的增加而逐渐降低(在Cu2+浓度为50, 100, 200和400 mg·kg-1的条件下，产电量分别为1.7, 7.7, 2.0和1.3 C)。通过循环伏安法测得土壤的电化学活性会随着Cu2+浓度的增加而降低，这说明污染土壤MFC产生的短期电信号可用来评估重金属污染物对土壤微生物的毒性作用。上述研究初步证明了 MFCs是一种具有发展前景的应用于土壤检测新型生物传感器。

2 土壤MFCs构型

在目前的土壤MFCs研究中，为了达到较好的产电或土壤修复效果，学者们研发了不同构型的土壤MFCs实验装置，按有无离子交换膜主要分为双室构型和单室构型。

2.1 双室构型

双室土壤MFCs由阳极室和阴极室组成，中间用离子交换膜隔开，氧化反应和还原反应分别在两极室进行。双室MFCs的缺点是需要添加离子膜来保证阳极室的绝对厌氧环境，使得装置内阻增大，影响产电效率，并提高成本，不利于实际的应用。这种构型主要用于研究MFCs的产电机理和电极材料的产电性能。

MFCs双室构型可以用于阴极室有毒性污染物如重金属污染的土壤修复研究。如Huang等[39]构建的双室型土壤MFCs来修复Cr(VI)污染土壤，使用石墨板作为阳极，同时将相同尺寸的石墨板放置在颗粒石墨中作为阴极，阴极室和阳极室用质子交换膜隔开，阴阳电极用铜线相连接。Habibul等[41]构建双室型空气阴极MFCs，通过MFCs产生的弱电场来分别修复 Cd、Pb污染的土壤。其装置结构如图1所示，石墨颗粒和石墨棒作为阳极材料，碳布作为空气阴极，由连接有1000 Ω电阻的铜导线相连。两室之间用质子交换膜隔开，防止重金属污染土壤对阳极产电微生物的毒害。

双室土壤 MFC构型也可以作为一种生物传感器来使用。如Deng等[46]构建的双室构型(见图2)，反应器的阳极室为Cu污染土壤，阴极室为铁氰化钾溶液，阳极和阴极由4 cm×4 cm的碳毡制成，平行固定并由阳离子交换膜分离，电极之间的距离为6 cm，由负载有1000 Ω的钛导线相连。通过观察土壤MFCs的电压变化，来实时检测土壤的污染情况。

图1 电动力-双室型空气阴极MFC构型[41]Fig. 1 Diagram of EK-dual chamber air cathode MFC[41]

图2 双室型空气阴极MFC[46]Fig. 2 Dual chamber air cathode MFC[46]

2.2 单室构型

大多数单室MFCs因省去了离子交换膜无法保证阳极处于绝对厌氧环境，O2渗透到阳极附近，抑制产电菌的活动和生长，从而降低整个装置的效率。但单室MFCs与双室MFCs相比，结构简单、操作简便、成本低廉，所以被人们更多地应用。研究者们还在基础的单室构型上开发出了更多结构不同、功能不同的单室构型用于不同类型的土壤，进行更为多元化的土壤MFCs研究。目前土壤MFCs研究中所采用的单室构型主要包括沉积物构型和多阳极或筒状的空气阴极单室构型两大类。

2.2.1 沉积物MFCs构型 沉积物MFCs构型的特点是装置下层是富含有机质或其他环境污染物的底质，上层覆盖一层水膜，使MFCs形成完全淹水状态[47]。目前沉积物构型多应用于有机物含量丰富的海底[48-49]、河底污泥[50-52]的研究，但随着土壤MFCs研究的深入，沉积物构型也被更多人应用到淹水土壤MFCs中去。如Kaku等[20]设计单室MFC来研究水稻土壤的产电情况，装置结构如图3所示。使用碳布作为电极材料，阳极埋入水稻土壤5 cm深处，阴极放置在土层和水层的交界面。Chen等[21]设计了一种新型生物阴极沉积物型MFC (如图4所示)，将一个生物阴极放置在根际中，另一个空气阴极固定在空气-水界面处分别连接1000 Ω外电阻。阴阳极均为石墨材料，阳极为圆形石墨垫(通过弯曲矩形石墨垫制得)，阴极呈管状结构。该构型用于论证利用水稻根产生的氧作为MFCs电子受体的可行性，并使用MFCs阴极作为氧传感器，同时检测水稻根部的产氧量。

图3 沉积物单室微生物燃料电池[20]Fig.3 Single sediment chamber MFC[20]

图4 生物阴极沉积物微生物燃料电池[21]Fig. 4 Biocathode sediment MFC[21]

2.2.2 空气阴极单室 MFCs构型 空气阴极单室MFCs，即将阴极暴露在空气中，利用空气中的氧气作为电子受体。这种构型不仅成本较低，利于实际工程放大，而且提高了氧气的利用率。目前，关于该构型的研究较多，主要包括多阳极单室构型和筒形单室构型。

Li等[31]设计三阳极空气阴极单室MFCs来促进石油污染土壤修复研究。装置结构如图5所示，使用碳网作为阳极材料，空气阴极由土壤侧的负载有催化剂层的不锈钢网和空气侧的气体扩散层组成，阴阳极由负载1000 Ω导线相连。Zhang等[34]对比了水平和竖直多阳极构型对系统性能和石油污染土壤修复的影响。结果表明，水平阳极构型的电量输出和石油降解率均高于竖直阳极构型，原因可能是水平构型的传质阻力较低。

图5 三阳极空气阴极单室微生物燃料电池[31]Fig. 5 Three anode air cathode single chamber MFC[31]

Wang等[28]设计 U形管状空气阴极土壤 MFC(见图6)，管壁由内而外分别由 4层聚四氟乙烯(PTFE)防水层、碳网阴极、催化剂层、玻璃纤维隔板和碳网阳极组成。Lu等[32-33]构建管状空气阴极单室 MFC来进行石油污染土壤修复研究，并且比较了不同的阳极材料(生物炭、碳布)对系统性能的影响(如图7所示)。空气阴极由一侧为Pt/C催化剂层和另一侧为两层二甲基硅氧烷(PDMS)防水层的不锈钢网组成，将阴极环绕在多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)管上，催化剂侧面向阳极。筒形MFC构型由于阴极与阳极距离较近，可大大降低欧姆内阻。但该构型只能对近阳极处的土壤污染物有较好的降解。

3 土壤MFCs电极材料

图6 U形管状空气阴极微生物燃料电池[28]Fig.6 U-tubular air cathode MFC[28]

图7 管状空气阴极单室微生物燃料电池[32]Fig. 7 Tubular air cathode single chamber MFC[32]

目前土壤MFCs使用的阳极材料多为未经修饰的普通导电材料，如碳刷、碳毡、碳网、不锈钢网等，而多种石墨材料也因其具有高导电性和相对准确的表面积被用于土壤MFCs电极材料的研究。如Scott等[53]在土壤沉积物型MFCs中分别以泡沫碳、碳布、碳纸、石墨网状玻璃碳为阳极，研究了阳极材料对MFCs 功率输出的影响。结果表明，泡沫碳效果最好，功率输出达到了55 mW·m-2。但传统电极材料产电能力有限。近期研究者们发现可通过对阳极修饰改性，如导电聚合物[54-55]、非金属[56-58]、金属和金属涂层[59-60]等，来提高电极的导电性能。这些新型改性材料有望进一步用于土壤MFCs中，进一步提供其产电和修复效率，并降低成本。

土壤MFCs阴极需要负载催化剂，如价格昂贵的铂。有研究发现非贵金属化合物和过渡金属在代替贵金属催化剂方面具有重大潜力，如 PbO2、MnOx、TiO2、铁氧化物等[61-62]。Cheng 等[62]以钴卟啉(CoTMPP)作空气阴极MFCs阴极催化剂，得到了(369±8) mW·m-2的功率密度，比含铂0.5 mg·cm-2的阴极仅低 12%，但在相同的条件下，功率输出却高于含铂0.1 mg·cm-2的阴极，而且库仑效率与铂催化剂电极类似。可见，开发利用成本低廉、性能优良的阴极催化材料是目前的主要研究方向之一。

4 土壤MFCs的电化学活性微生物

土壤中含有丰富的有机质，可以为微生物群落的生长提供丰富的营养物质和食物网，而不是单一的营养结构，并且复杂的土壤结构也可为微生物群落的生存提供一定的干扰缓冲和保护[63]。电化学活性微生物是土壤微生物中的一类，它是影响土壤MFCs性能的重要因素，决定着电子的释放速率和底物的降解速率[64]。在微生物燃料电池中，可以将具有电化学活性的微生物分为两类，阳极微生物和阴极微生物。

4.1 阳极电化学活性微生物

阳极电化学活性微生物是指依靠自身的新陈代谢能力将土壤中的有机物氧化分解并产生质子和电子的一类产电微生物。

目前，在国内外已报道的产电微生物中，细菌约有 20余株[65]，大多数为厌氧或兼性厌氧细菌，主要分布于变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)。变形菌门是一种利用鞭毛运动的异养型细菌，是目前研究中发现产电微生物最多的一门。它主要包括铁还原红螺菌属(Rhodoferaxferrireducens)、希瓦氏菌属(Shewanella)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、根瘤菌目(Rhizobiales)以及梭菌纲(Clostridia)等。厚壁菌门大多为细胞壁较厚的革兰阳性菌[66]，主要有丁酸梭菌属(Clostridium butyrieumEG3)、链球菌属(Streptococcus)和肺炎双球菌属(Diplococcus pneumoniae)等。另外还有少数的真菌，如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、异常汉逊氏酵母(Hansenulaanomala)等也具有产电的功能[67]。在不同性质和种类的土壤及不同用途的土壤MFCs中，产电微生物的群落类型和结构也不尽相同。如Li等[31]做MFCs降解土壤石油烃的研究时，对土壤的微生物群落结构分析发现，石油污染土壤中的优势产电菌是地杆菌属(Geobacter)和大肠杆菌科(Escherichia)等。Deng等[46]构建 Cu2+污染土壤MFC，通过对阳极产电菌的16S rRNA序列分析发现，Cu2+污染土壤中的优势产电菌主要为厚壁菌门（Firmicutes），包括醋杆菌属(Acetobacteraceae)，梭菌纲(Clostridia)，芽孢杆菌属(Bacillus)和芽孢乳杆菌属(Sporolactobacillus)。姜允斌等[65]通过构建双室型森林土壤 MFCs，在厌氧培养条件下，成功分离出具有一定产电能力的菌株C. sporogenesSE6，菌株的 16S rRNA 基因序列与Clostridium sporogenes完全相同，属于梭菌属(Clostridium)。Dunaj等[18]的研究发现不同用途土壤 MFCs中的优势产电菌的结构也不同，且高功率 MFCs阳极细菌群落多样性低于低功率MFCs，高功率MFCs阳极细菌群落主要由Δ-变形菌(Deltaproteobacteria)，地杆菌属(Geobacter)和梭菌属(Clostridia)主导，而低功率MFC阳极群落则以梭菌属(Clostridia)为主。

目前，大多数土壤MFCs对微生物群落结构和多样性的研究都是以阳极产电微生物为主，这是因为绝大多数MFCs在运行中会将原土著微生物系统选择性富集在阳极上。例如 Lu等[33]在其研究中发现，MFCs将可降解烃类化合物的具有电化学活性特性菌属如睾丸酮丛毛单胞菌（Comamonas testosteroni）、恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）和人苍白杆菌（Ochrobactrum anthropi）选择性富集于阳极，而原土壤样品中占主导地位的优势菌属却是烃类氧化菌。

4.2 阴极电化学活性微生物

阴极微生物是指能够附着在阴极表面的一类微生物，电子由电极传递给阴极微生物并发生相应的生物电化学反应，构成生物阴极。生物阴极本身可以作为催化剂使用，既有效降低了MFCs的系统成本，又可以避免催化材料在装置运行中中毒失效，具有更好的环境和经济效益。

根据最终电子受体的不同，生物阴极大致可分为好氧性和厌氧性两种。由于O2具有高氧化还原电位，容易与质子和电子结合还原反应生成水产生电流，而且是一种绿色可再生能源，不会造成二次污染，所以好氧生物阴极是人们关注的焦点。如Chen等[21]构建生物阴极土壤MFC进行产电性能的研究。结果表明，生物阴极可利用在水稻根际部分生成铁氧化菌生物膜与水稻根部分泌的氧气反应，其效果与固定于水-空气交界面处的空气阴极相当。Koen等[68]分别在芦苇土壤和大米草盐碱湿地构建管式生物阴极 MFCs来研究生物阴极对 MFCs产电性能的影响，阳极直接位于植物根部和管内的氧还原生物阴极之间，使用硅胶作为装置的气体扩散层，MFCs阳极和阴极的微生物都是系统中的土著微生物，实验结果表明生物阴极提高了两种MFCs的功率密度，分别可达到22 mW⋅m-2和 82 mW⋅m-2。

厌氧生物阴极是指在厌/缺氧环境中，硝酸盐、硫酸盐等可以作为阴极的电子受体被MFCs使用。与好氧生物阴极相比，厌氧型不仅可以避免氧气对厌氧阳极微生物的干扰，还可以在阴极同时实现如脱硫脱硝等功效。如Afsham等[19]构建反硝化生物阴极土壤MFC，研究土壤和地下水的产电特性和阴极室硝酸盐的去除。Vijay等[69]构建的生物阴极MFCs利用牛粪和土壤中的反硝化菌生成生物阴极膜，在最适生物化学条件下，得到了 210 mW⋅m-2的功率密度，同时每天每净阴极室的硝酸盐氮去除率为6.5 kg NO-3-N⋅m-3，达到了同时产电、脱硝的目的。

在过去的二十几年里，研究者们一直致力于推动土壤微生物多样性和土壤生态系统功能的研究[70-72]，研究土壤产电微生物的产电机理和种群结构，有利于土壤MFCs的进一步发展。

5 土壤MFCs研究展望

综上所述，土壤MFCs在产电、污染土壤修复、温室气体减排和污染毒性检测等方面有巨大潜力。但由于土壤流动性较差，并且缺乏水分或盐导致的土壤内阻过高也可抑制质子向阴极的传输，从而限制MFCs的性能，导致其效率降低。同时，在土壤MFCs运行期间，可能会造成土壤区域治理不均匀，H+可能会在阳极大量聚集，降低阳极附近 pH，抑制产电微生物的活性，从而降低整个装置的工作效率。因此土壤MFCs投入实际应用，仍需要进一步的研究和探索。未来值得探索的研究方向包括：降低MFCs成本，寻找更为高效、廉价的电极材料，并开发适合实际应用的MFCs构型，减小土壤高内阻对MFCs的影响；深入研究和探索MFCs对重金属污染土壤的修复的可行性；研究MFCs与其他方法的耦合技术等，以期为MFCs在土壤监测和修复中的应用提供技术支持。

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date:2017-06-21.

GU Yingying, yingyinggu@upc.edu.cn

s:supported by the National Natural Science Foundation of China (41201303), the Fundamental Research for the Central Universities(14CX02191A, 17CX02075), the Natural Science Foundation of Shandong Province, China(ZR2017QEE016) and China University of Petroleum (East China) Graduate Student Innovation Project (YCX2017049).

Research progress and prospect of soil microbial fuel cells

YANG Zhengwei1, GU Yingying1, ZHAO Chaocheng1, ZHANG Xiuxia1, LI Shi’en2
(1Departments of Environmental and Safety Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao266580,Shandong,China;2The Fifth Exploit Factory of Huabei Oilfield Company,Shijiazhuang050000,Hebei,China)

Microbial fuel cells (MFCs) are the technology that utilizes microorganism to convert chemical energy directly to electrical energy. MFCs have attracted more and more attention without external energy consumption and secondary pollution during operation. Soil is the “natural medium” for exoelectrogenic microorganisms, it contains various organic matters and large microbial population. In recent years, soil MFCs have shown great research and application potential in electricity generation, soil pollution evaluation and restoration. In this paper,recent research and application of MFCs in electricity generation, organic pollutants degradation, heavy metal pollution remediation, greenhouse gas reduction, biosensorsetc, are comprehensively introduced; the reactor configuration, electrodes and the populations of exoelectrogenic microorganisms in the current research of soil MFCs are summarized; and the main issues in the research and application of soil MFCs and research prospects are proposed.

soil; fuel cells; remediation；electrochemistry；utilization status; problems and prospects

X 53

A

0438—1157（2017）11—3995—10

10.11949/j.issn.0438-1157.20170793

2017-06-21收到初稿，2017-07-31收到修改稿。

联系人：顾莹莹。

杨政伟（1993—），男，硕士研究生；顾莹莹（1982—），女，博士，副教授。

国家自然科学基金项目(41201303)；中央高校基本科研业务费专项资金(14CX02191A，17CX02075)；山东省自然科学基金项目(ZR2017QEE016)；中国石油大学（华东）研究生创新工程资助项目（YCX2017049）。