金属离子对微生物燃料电池产电性能影响的研究进展

苏圣媛，王小雨，周丹丹

(东北师范大学环境学院，长春 130117)

1 前 言

微生物燃料电池是一种通过阳极上生物膜作为催化剂去降解有机物，并使存储在内部的化学能转化成电能的一种装置。微生物燃料电池在生产电力的同时去除废水中污染物，被认为是新型污水处理工艺和新型绿色发电技术，具有效率高，能耗低，清洁环保的优点[1]。

典型的微生物燃料电池是由阳极室和通过交换膜隔开的阴极室组成的双室系统装置。氧气渗入阳极室内会阻碍产电，因此在两电极间放置一个交换膜可形成两个分开的极室，既可以将氧气与细菌分开，又不影响质子的传递，并且两极由电阻作为负载相互连接。微生物燃料电池中需采用电化学活性细菌，大多数细菌能将化学能转化为细胞内电子，但只有电化学活性细菌具有将细胞内电子转移到细胞外电极的特异性途径，它们以固态电极作为电子受体进行呼吸产能，既胞外呼吸[2]。目前文献报道的纯种产电微生物已有50余种，研究较多的是厚壁菌门和变形菌门的细菌，多为兼性厌氧菌[3]。如Geobacter[4]，Shewanella[5]和Pseudomonas[6]，通过在代谢过程中氧化底物促进能量转换，并将释放的电子转移到外部电路。

目前微生物燃料电池作为一种先进的处理污染物的技术，已有国内外学者对微生物燃料电池处理废水中有机物的能力及产电性能的大小有所研究并进行综述。但废水中同样含有多种金属离子，金属离子可以对微生物燃料电池中微生物活性产生促进作用，或者转化为潜在的有毒和致癌化合物[7]，跨越食物链的营养级别，最终在生物体内的进行累积，从而影响了发电情况。本文针对双室微生物燃料电池的阳极室，重点综述了金属离子对产电性能影响，并分析了产电的影响机制，最后就前文综述的内容总结了如何提高产电性能，并展望今后可以实现金属废水和有机污染物同时处理的实际应用。

2 阳极室中金属离子对微生物燃料电池产电性能的影响

金属离子通常表现出对细菌的复杂作用，将影响微生物燃料电池的产电性能，分为刺激影响及抑制影响两部分。

2.1 金属离子对产电性能的刺激影响

在微生物燃料电池中，对于金属离子对细胞外电子转移的作用而影响了微生物燃料电池产电性能等方面研究较少，仅有较少几篇文献报道。Wu等人[8]以ShewanellaoneidensisMR-1为阳极微生物，研究表明加入6 mM浓度的Fe3+时的最大功率密度为158.1 mW/m2，是无Fe3+对照时的2.2倍(73.9 mW/m2)，Fe3+的加入能缩短启动时间，并且游离细菌及阳极生物膜量也明显增加。之后换成无Fe3+的培养基时，游离细菌及阳极生物膜量仍然比空白时的数值要高，且电压也没有明显的下降，分析Fe3+附着在了阳极上，改善了电池的产电性能。Wang等人[9]研究单室微生物燃料电池，加入1 mg/L铜离子驯化时，电压稳定上升至0.6 V，COD去除效率较高。Yamashita等人[10]研究镁离子对微生物燃料电池阳极微生物产电性能的影响，随着镁离子浓度从0.5 mM增加到2.0 mM，进一步增加到5.0 mM，微生物燃料电池的阳极电压与对照试验中的0.417 V相比，分别增加到0.443 V、0.469 V和0.477 V，功率密度从36.65 mW/m2增加到40.19 mW/m2、44.21 mW/m2和45.48 mW/m2。此外，电化学活性和电生物量显着增加，表明镁可以提高微生物燃料电池的功率输出。近两年来有学者将注意力放在了痕量金属上，Xu等人[11]将ShewanellaoneidensisMR-1接种在阳极上，研究了痕量金属离子对微生物燃料电池的影响，在阳极添加了Cu2+(0.1 μg/L～0.1 mg/L)或Cd2+(0.1 μg/L～1 mg/L)，研究表明添加Cu2+或Cd2+有效地改善了电极中的核黄素生成和细菌附着，增强了微生物燃料电池中细菌的细胞外电子转移。

这些结果表明，当金属离子存在阳极室时，适当浓度的金属离子添加将是提高微生物燃料电池性能的有效途径。并且目前大部分学者都将重点放在高浓度金属离子废水的处理研究上，而忽略了痕量金属废水带来的长期危害。从Xu所研究的内容上分析，今后可以将重点放在利用微生物燃料电池处理痕量金属离子废水方面。

2.2 金属离子对产电性能的抑制影响

早在2007年有学者开始研究金属离子对微生物的毒性作用，Kim等人[12]研究向微生物燃料电池中加入有毒物质(有机磷化合物，铅，汞和多氯联苯)，并观察到电流下降情况。与对照相比，这些有毒物质的流入引起的抑制率分别为61%，46%，28%和38%。将使用来自当地污水处理厂的实际废水时，在引入有毒物质之后观察到电流显著的减少并且观察到比实验室测试中更高的抑制率。Catal等人[13]在单室空气阴极微生物燃料电池中证明微生物对Cd2+的最大可耐受浓度为200 μM，Zn2+为400 μM。将Cd2+浓度提高到300 μM，将Zn2+增加到500 μM，导致电压下降了71%和74%。Cd2+的加入导致库伦效率从34%降至18%。，加入500 μM的Zn2+导致库伦效率从34%降低至4%。Ding等人[14]用硫酸盐还原法研究了金属离子(Cu2+，Zn2+，Ni2+和Cr6+)对微生物燃料电池产电性能的影响。加入重金属离子后，电压由180.9 mV降至37.4 mV。COD去除率由64.2%逐渐降为7.2%。停止添加金属离子，电压逐渐升到400 mV，最大功率密度达222 mW/m2(55.56 W/m3)，COD去除率逐渐上升至58.3%。说明金属离子对硫酸盐还原菌活性具有抑制作用。Yu等人[15]在2017年研究显示，不同浓度Cu2+对阳极微生物呼吸产生抑制作用，发现随着Cu2+浓度的增加，抑制作用更强。在含有1、2和4 mg/L Cu2+的样品中，电压抑制率分别为7.9%，12.56%和18.48%。对于2 mg/L的Cu2+，Hg2+，Zn2+，Cd2+，Pb2+，Cr3+电压抑制率分别为12.56%，13.99%，8.81%，9.29%，5.59%和1.95%。根据2 mg/L重金属离子的致死值，毒性顺序为Hg2+> Cu2+> Cd2+> Zn2+>Pb2+>Cr3+。目前最新研究进展显示由Gai等人[16]研究了重金属离子对阳极电压输出的影响。结果表明，含低浓度Cu2+和Ni2+的阳极电解液可改善产电性能，但当浓度升高时，电压输出下降，Cu2+的最小毒性浓度为303 μM，Ni2+是600 μM。一旦加入Cd2+和Hg2+微生物燃料电池中，电压输出就会下降。

因此，废水中过量的金属离子浓度会抑制细胞活性，阻止生物发电。但从以上分析，也因此可以通过监测微生物燃料电池的电压或电流的变化来监测含有毒素的流入水。

3 阳极室中金属离子对微生物燃料电池产电性能的影响机制

电子转移的过程由位于微生物细胞外膜或微生物细胞分泌的氧化还原剂催化而发生。这些氧化还原剂利用电子给体和电子受体之间的能量差异，在细胞膜上形成了离子梯度。这种梯度有助于ATP的合成，因此将电势差转化为化学能。

3.1 金属离子刺激产电性能的机制

通过对以上文献的综述，总结出金属离子刺激微生物燃料电池产电性能提高的机理，概括成以下两方面。

3.1.1 金属离子刺激核黄素的生成

胞外电子转移效率被认为是决定微生物燃料电池性能的限制性参数[17]。迄今为止，已经为电化学活性细菌确定了两种胞外电子转移途径，即通过外膜氧化还原活性蛋白(例如细胞色素c)或纳米导线的直接电子转移以及由外源或内源电子穿梭介导的间接电子转移(例如核黄素)[18]。例如Shewanellasp.[19]和Bacillussp.[20]通常使用直接利用细胞色素c进行胞外电子转移和通过核黄素电子穿梭介导的间接胞外电子转移。并且已有学者利用这两种菌种进行混合，制成聚合体，以互相促进生成更大量的核黄素，进而提高微生物燃料电池的产电性能[21]。金属离子例如Cu2+和Cd2+通常用作诱导剂来改善植物，真菌或细菌产生核黄素[22]。因此在含金属的环境中，金属离子可诱导细菌增强核黄素的生成。由于核黄素是介导细菌和电极之间的间接胞外电子转移的主要内源电子穿梭物，所以金属离子的加入可改善增强细菌的胞外电子转移，进而改善微生物燃料电池的产电性能。

3.1.2 金属离子增强细菌在电极上的附着

细菌在微生物燃料电池中以生物膜的形态附着于电极上，而细菌在含有金属离子的环境中生长时，为抵御金属离子威胁，细菌会分泌大量的胞外聚合物来保护自身[23]。Güngör等人[24]研究Cu2+胁迫722 h下Desulfovibriosp.生物膜形成影响的研究，并对样品进行几次表征分析，通过扫描电子显微镜可以观察到Cu2+胁迫下的生物膜的表面变化，通过EDS能谱可以观察到有铜离子吸收峰的出现。Claire等人[25]的实验也证明100 μg/L的镍存在时，提高了生物被膜形成量，长时间暴露在低浓度镍下使膜增厚。由于curli基因和csg基因的表达有助于生物膜的形成[26-27]。所以金属离子的加入将curli基因转录激活，激活csg基因的表达，最终促进了微生物燃料电池中细菌分泌大量胞外聚合物，由于胞外聚合物为粘性高分子聚合物，具有粘附性[28]。所以金属离子的加入增强了细菌在电极上的附着，从而增强了微生物燃料电池的产电性能。

3.2 金属离子抑制产电性能的机制

金属离子通过与含硫的酶(如半胱氨酸，胱氨酸和甲硫氨酸)上的氨基酸残基形成稳定的复合物而引起毒性，使得酶变性并使酶失活[29]。酶是生物催化剂，产电是微生物的呼吸作用，所以金属离子对微生物呼吸的抑制可以看作是对酶活性的抑制，这在酶合成过程中，酶反应阶段和与活性酶或其它相关部分的传递中发生。如果酶活性被抑制，所有链都会在降解或代谢反应中瘫痪，导致细胞活性被完全抑制，甚至细胞最终死亡[30-31]。Shah等人[32]研究多种金属离子对AspergillusnigerKIBGE-IB36胞外蛋白酶活性的影响，研究表明Cs+，Mn2+，Cu2+，Ni2+，V2+，Co2+，Hg2+和Al3+表现为蛋白酶抑制剂。同样的研究Chen等人[33]发现重金属离子(Hg2+，A+，Bi2+，Cu2+和Zn2+)抑制酶。通过建立动力学模型，发现Cu2+和Hg2+对酶的抑制作用是非竞争性的。抑制常数已经确定，Hg2+的抑制作用强于Cu2+。这与前文综述的重金属离子的毒性顺序相符。同样也有人证明了Cu2+、Ca2+和Zn2+对酶的活性的影响，其中Cu2+对酶活性的抑制最显著[34]。以上原因分析是金属离子与酶底物的催化位点形成配位键并相互作用，金属离子浓度增加，对酶的活性抑制性越强。因此，当微生物燃料电池中被注射有毒物质时，由于微生物酶活的降低导致呼吸活动的抑制，相应的电压或电流将下降。

4 提高微生物燃料电池产电性能

提高微生物燃料电池的输出功率一直是众多学者所研究的内容，可以通过开发有效产电细菌及改进生物膜的结构去提高微生物燃料电池的输出功率。或者可以利用金属离子作为材料修饰电极，提高微生物燃料电池的输出功率。

4.1 提高产电微生物的活性

电极表面的微生物群落和生物膜形成对系统的性能有显着的影响。电化学活性细菌生物膜形成受阳极材料，温度，pH值和环境条件的影响[35]。因此，高功率输出的一个办法是在阳极表面上富集有效的电化学活性细菌并改变环境条件，优化细菌活性以及与电极之间的电子转移[36]。Zhao等人[37]通过将Shewanellaoneidensis插入到作为微生物燃料电池的阳极石墨烯-碳纳米管网络中来制造杂化电化学活性生物膜。这种新颖的方法增强了Shewanellaoneidensis和电极之间的直接细胞外电子转移。Narcís等人[38]通过使用循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)研究了电活性生物膜内Geobactersp.的细胞外电子转移机理。研究表明，生物膜内的电活性细菌可以使用乙酸盐氧化和硝酸盐还原的方法催化阳极和阴极反应。Chen等人[39]研究原位形成的金纳米颗粒对Geobactersulfurreducens生物膜产电的影响。将20 ppm NaAuCl4缓慢滴入阳极室中，Au3+转化为Au-NPs，然后通过生物矿化在生物膜中沉淀。阳极的电流密度增加了40%。这可能是由于原位形成的导电金纳米颗粒促进了胞外单子转移，增加了基底消耗。改善产电微生物的活性从酶活层面上改善将更有利于提高活性，前文提到Bacillussubtilis为强大核黄素生产者之一，而Shewanellaoneidensis的核黄素生产量却不如Bacillussubtilis。Yang等人[40]将来自Bacillussubtilis的合成核黄素的途径在ShewanellaoneidensisMR-1中异源表达，导致分泌的核黄素浓度增加约25.7倍。结果使MR-1的双向胞外电子传递速率增加，微生物燃料电池中的最大功率输出增加了13.2倍。

提高产电微生物的活性另一种方法是改进生物膜的结构。生物膜形成对电子转移和生物电极活性至关重要。然而，生物膜并不是越厚越好，厚的反而沉积阻碍了电子流通。早在2006年Reguera[41]发现，具有50 μm厚度的Geobactersulfurreducens的生物膜可以产生纳米导线并且不会降低当前的产量。因此，生物膜厚度的选择对于实现显著的功率输出是重要的[36]。Clauwaert认为[42]，具有高比表面积的开放的“珊瑚状”生物膜结构可能会提供更多的电活性物质。此外，致密的生物膜可以缩短电子传递距离以提高电子转移效率。沈伟航等人[43]采用基于外界连续恒压和恒流电化学选择压力的方法，加速并实现微生物燃料电池阳极电化学活性菌的筛选和富集过程，结果表明，恒压预制效果优于恒流，预制阳极对应的微生物燃料电池在60 min内可产生高于对照组1.42倍的输出电压(0.54 V)和高于对照组1.79倍的功率密度(163.07 mW/m2)。

4.2 利用金属离子对电极进行修饰

前文综述一定浓度的金属离子的添加可以促进微生物为燃料电池的产电，利用它们的高导电性，金属离子也可以作为材料去修饰电极，提高产电性能。学者们对金属盐与金属氧化物修饰阳极从而提高产电量进行了大量的研究，早在2006年Lowy等[44]研究了以Mn/Ni联合修饰，Fe3O4，Fe3O4/Ni联合修饰的石墨板电极，结果表明，电流密度是未修饰的1.5～2.2倍。Lv等[45]用RuO2修饰阳极，最高功率密度达到3 080 mW/m2，是未修饰阳极的17倍。Yamashita等人[46]研究多种金属电极的产电性能。筛选测试显示钼、钨、铁和锡是有用的微生物燃料电池阳极材料，其中钼阳极为一种高性能电极，在微生物燃料电池中具有结构简单和长期稳定性。目前近几年已有学者利用金属氧化物纳米材料进行修饰电极，王玲等人[47]利用纳米铁氧化物修饰阳极，结果表明纳米铁氧化物修饰阳极的电流密度比普通碳纸电极提高了71%。Nurbakhsh等人[48]制备了LaMnO3钙钛矿型氧化物纳米粒子和氧化镍/碳纳米管/聚苯胺(NCP)纳米复合物(分别为阴极和阳极催化剂)并用于提高微生物燃料电池的功率密度，研究表明具有改性电极的微生物燃料电池在功率密度输出上增加了11倍，以上这些结果表明，普通电极被修饰后由于可接近的表面积大，增强的基质扩散速率和细菌细胞的粘附率，促进了产电菌进行直接胞外电子传递，从而增加了输出功率。

5 结语与展望

通过金属离子对微生物燃料电池产电性能的影响可以发现，阳极室加入适当浓度的金属离子，由于金属离子刺激核黄素的生成并刺激了微生物对电极的附着，促进了微生物燃料电池的产电性能，可以利用此特性处理被忽略的痕量金属废水。但是在阳极室加入浓度较高的金属离子时，由于对酶活性的抑制，将抑制产电性能。但因此利用这个特性，可以监视含有毒素的流入水。

金属离子在微生物燃料电池中的添加印证了其在废水处理方面将具有前景。微生物燃料电池研究已经在实验室规模进行，技术方面仍然对实际废水的处理和资源回收应用具有深远的限制。并且需要进一步的研究工作，通过开发更有效的产电微生物改进生物膜结构，或者利用重金属材料修饰电极，提高微生物燃料电池的产电性能，并且更深入的去了解相关机制才能在今后提高微生物燃料电池的能源产出并实现可持续的金属废水和有机污染物同时处理的实际应用。