基于微生物燃料電池技術的生物傳感器及其應用進展

蔣海明，李瀟萍，羅生軍，許曉暉，郭榮波

(1. 中國科學院 青島生物能源與過程研究所，山東 青島，266101；2. 山東大學 威海分校海洋學院，山東 威海，264209；3. 中國科學院 研究生院，北京，100049)

基于微生物燃料電池技術的生物傳感器及其應用進展

蔣海明1,2,3，李瀟萍1，羅生軍1，許曉暉1，郭榮波1

(1. 中國科學院 青島生物能源與過程研究所，山東 青島，266101；2. 山東大學 威海分校海洋學院，山東 威海，264209；3. 中國科學院 研究生院，北京，100049)

簡要介紹微生物燃料電池型生物傳感器的工作原理，概述各種基于微生物燃料電池技術開發的生物傳感器及其應用領域。分析影響微生物燃料電池型生物傳感器性能的因素，討論提高傳感器性能的方法，以期為研究和開發高性能的微生物燃料電池型生物傳感器提供參考。

微生物燃料電池；生物傳感器；生化需氧量；毒性；微生物活性

微生物燃料電池(MFC)是以微生物為催化劑，將化學能直接轉化為電能的裝置[1?2]。利用微生物產電的最初構想是20世紀初由Potter教授提出的。Potter[3]利用大腸桿菌進行產電試驗研究時觀察到電流的產生，但這一工作并沒有繼續。直到 Cohen[4]利用串聯的微生物燃料電池獲得了高達35 V的電壓，從此，微生物燃料電池才被廣泛地關注。早期的微生物燃料電池是用發酵型的酵母和細菌產電，但其機制并不清楚，初步認為是在微生物發酵過程中產生的還原產物與電極直接作用而產生電流。20世紀80年代后，由于電子傳遞中間體的廣泛應用，微生物燃料電池的輸出功率有了較大提高，但由于電子傳遞中間體對微生物的毒害性，因此，也制約了其發展。而20世紀90年代中期電化學活性細菌的發現是微生物燃料電池發展的里程碑。近年來，由于能源危機的出現及現代科學技術的發展，微生物燃料電池技術在世界范圍內掀起了研究的熱潮，并在電極微生物、電極材料、催化劑、電池結構及電子傳遞機理等方面的研究取得了重大進展。同時，微生物燃料電池技術在有機污水處理、產電、環境生物修復、野外電源及傳感器等領域的應用研究呈逐年上升趨勢，已有研究成果展示了微生物燃料電池技術在傳感器領域的巨大應用潛力。自從Karube等[5]應用微生物燃料電池測定生化需氧量以來，微生物燃料電池作為傳感器在分析領域的應用研究取得了很大的進展。本文作者對微生物燃料電池技術在傳感器領域的應用進行概述，在分析影響微生物燃料電池性能的基礎上，討論提高微生物燃料電池型生物傳感器性能的方法。

1 微生物燃料電池型生物傳感器的原理

微生物燃料電池是以微生物為催化劑，將化學能轉化為電能的裝置。典型的微生物燃料電池由陽極室和陰極室構成，2個極室由質子交換膜(PEM)隔開，見圖1[2]。陽極室保持厭氧環境，陰極室保持好氧環境，陰陽兩極通過外電路連接。在陽極室中，微生物催化氧化有機物的過程中產生電子和質子。產生的電子直接或間接傳遞至陽極，然后經外電路傳遞至陰極。同時，質子經質子交換膜遷移至陰極，并與來自外電路的電子和陰極室的氧氣反應生成水，并產生電流[6?7]。

許多研究表明：在一定條件下，微生物燃料電池的產電量或電流與陽極室添加的可代謝的底物的濃度或微生物數量成正比；此外，當有毒物質進入陽極室時，會導致微生物燃料電池產生的電流下降，而電流的下降程度與有毒物質的濃度存在一定的相關性。微生物燃料電池的這些性質可被用于構建不同類型的生物傳感器。微生物燃料電池工作原理見圖2[6]。

圖1 微生物燃料電池結構示意圖[2]Fig.1 Schematic diagram of typical two-chamber microbial fuel cell

圖2 微生物燃料電池工作原理Fig.2 Working principle of microbial fuel cell

2 微生物燃料電池型生物傳感器

2.1 生化需氧量傳感器

生化需氧量(BOD)是水質監測的重要指標。現行標準主要采用 BOD5測定法，此方法具有適用范圍廣和對設備要求低等優點。但是，該方法檢測過程繁瑣、耗時長及重現性較差，同時不適合用于實時在線檢測[8]。為克服傳統 BOD5測定法的不足，發展了許多 BOD快速測定方法，其中微生物電極法目前使用最廣泛。雖然微生物電極法可縮短測定時間，其響應信號與 BOD之間也具有較好的相關性，但由于微生物膜的污染導致其穩定性較差，同時需要對溶氧電極進行周期性地清洗和替換，在一定程度上限制了微生物電極法的使用。對微生物燃料電池的研究發現：在一定條件下微生物燃料電池的產電量或電流與底物生化需氧量成正比，因而可被用于 BOD快速檢測。微生物燃料電池方法相對其他方法具有穩定性好和維護要求低等優點[9]。Karube等[5]用凝膠將產氫微生物丁酸梭菌(C.butyricum)固定于鉑電極表面，構建了微生物燃料電池型BOD傳感器，當生化需氧量＜300 mg/L時，電池的穩態電流與生化需氧量成正比。Karube利用該傳感器測定了屠宰場、食品廠和酒精廠廢水中的BOD，與BOD5法測定結果的相對誤差＜10%。此后，利用電子傳遞中間體發展了各種微生物燃料電池型BOD生物傳感器[10?13]。雖然在這些傳感器中添加電子傳遞中間體可以增強電子傳遞，但由于電子傳遞中間體通常對微生物有毒害作用，因而使傳感器難以保持長期穩定運行。同時，由于電子傳遞中間體流失，使得這些傳感器也不能在線檢測生化需氧量。近年來，人們從污水和活性淤泥中富集了腐敗希瓦氏菌(S.putrefaciens)、鐵還原紅育菌(R.ferrireducens)及硫還原地桿菌(G.metallireducens)等電化學活性微生物，它們能將電子直接傳遞至陽極，可用于構建無介體微生物燃料電池。無介體微生物燃料電池有較強的穩定性，更適合作為BOD傳感器。

Kim等[14]以污水為燃料，從厭氧活性淤泥中富集電化學活性微生物，并構建了無介體微生物燃料電池型 BOD生物傳感器，該傳感器的產電量與生化需氧量在 20～206 mg/L范圍內具有很好的線性關系(相關系數R2=0.99)。當生化需氧量為206.4 mg/L時，電池的響應時間約為10 h。Chang等[15]利用活性淤泥富集電化學活性微生物，以富含葡萄糖和谷氨酸的人造廢水為燃料，構建了微生物燃料電池型 BOD傳感器，并實現了對樣品生化需氧量的連續檢測。當進樣流量為0.35 mL/min，且樣品中生化需氧量為20～100 mg/L時，電池的輸出電流與生化需氧量成正比，相對誤差＜10%。改變樣品質量濃度，在60 min電流可重新達到穩定。Kim 等[16]將設計的微生物燃料電池型 BOD傳感器應用于污水處理廠，以驗證其原位、實時、在線檢測能力。污水流經澄清池后進入電池陽極，電池的輸出電流迅速升高，且產電量與污水生化需氧量成正比(R2=0.97)。傳感器可長期保持高靈敏度和操作穩定性，樣品測定時間為45 min。

上述大部分無介體微生物燃料電池型 BOD傳感器主要用于測定高生化需氧量廢水，不適合測定低生化需氧量的廢水。這是由于陰極反應效率低及陽極的微生物利用陰極擴散過來的氧進行好氧呼吸而消耗燃料的影響。Moon等[9]通過增強陰極反應和降低氧擴散，并富集貧營養微生物的無介體微生物燃料電池來測量BOD小于10 mg/L的樣品。在連續操作下，該傳感器的 BOD的線性范圍在 2.0～10.0 mg/L之間，對BOD為2 mg/L的樣品響應時間為60 min。Kang等[17]用富集了貧營養微生物的無介體微生物燃料電池型BOD傳感器，甚至能檢測到BOD為0.5 mg/L的樣品。這些類型的傳感器可用于在線檢測地表水或二級出水的BOD。

雖然微生物燃料電池型 BOD生物傳感器的研究取得很大進展，也已經商品化(如韓國科學技術院研制的 HABS?2000和 HABS?2001)，但仍需提高傳感器的穩定性和靈敏度，并降低響應時間。

2.2 乳酸傳感器

微生物燃料電池也可以用于檢測其他能提供電子的化合物，如乳酸等。Kim 等[18]利用腐敗希瓦氏菌(S.putrefaciens)構建了無介體微生物燃料電池，并將其作為檢測乳酸的傳感器。當乳酸濃度＜30 mmol/L時，電流與乳酸濃度成正比；同時，電流的升高速率與乳酸濃度在2～25 mmol/L范圍內成正比(R2=0.84)。Tront等[19]利用沙雷菌MR-1(S.oneidensisMR-1)構建了微生物燃料電池乳酸型傳感器，當乳酸濃度為0～41 mmol/L時，電流與乳酸濃度成正比(R2=0.9)。由于微生物能代謝許多底物，因而無介體微生物燃料電池可以用來檢測不同有機物濃度。例如，利用硫還原地桿菌(G.sulfurreducen)和丁酸梭菌(C. butyricure)構建的微生物燃料電池可以分別用來測定乙酸和甲酸濃度[20?21]。

2.3 毒性檢測傳感器

微生物燃料電池可用于開發毒性檢測傳感器，一旦有毒物質進入電池的陽極，電化學活性微生物的代謝受到有毒物質的抑制，造成傳遞到陽極的電子減少，導致電池產生的電流驟減，而電流的降低程度與有毒物質的濃度存在一定的關系，據此可檢測樣品的毒性。Kim等[22]根據有毒物質濃度與電流驟減幅度之間的關系，利用微生物燃料電池構建了有毒物質檢測系統。該檢測系統能分別檢測到0.04 mg/L Cr6+，0.03 mg/L Hg，0.04 mg/L Pb2+及0.04 mg/L苯。Kim等[23]利用微生物燃料電池構建了一個新的毒性檢測系統，并用于現場、在線監控水中的有毒物質。當有毒物質如有機磷化合物、Pb及Hg和多氯化聯(二)苯等進入到該系統后，電池的電流迅速下降。1 mg/L的這些有毒物質的抑制率分別達到61%，46%，28% 和38%。韓國生物工程系統公司開發的生物毒性監測系統HATOX?2000產品就是基于上述原理制成的。

由于電池電流的下降與有毒物質的濃度之間沒有很好的定量關系，因而該類傳感器不能用于定量分析有毒物質，但像傳統的生物檢測方法一樣，可成功用于監控樣品的綜合毒性。此外，該傳感器可用于有毒物質的原位、在線檢測，并具有快速報警、長期穩定、操作簡單等優點[23]。

2.4 微生物數量檢測傳感器

微生物數量測定是衡量食品、水質和環境污染程度的重要指標之一，對于快速初篩、現場取證及預警具有非常重要的作用。傳統的微生物測定方法有平板計數法、顯微鏡直接觀察法及干重法。這些方法除了需要熟練的操作技能和嚴格的操作規則外，都存在操作繁瑣、測定時間長等缺點，且無法滿足在線檢測的需要。近年來，發展了許多微生物快速檢測方法，如阻抗法[24]、放射法[25]及生物發光法[26]等，且有相應的產品上市。相對傳統方法而言，這些方法檢測微生物的時間顯著縮短，但都存在著技術要求高、測量儀器復雜、設備和使用成本高及操作繁瑣等不足，因而很難得到實際推廣和普遍應用。此外，這些方法也不適合于在線和連續檢測微生物數量。基于微生物燃料電池原理的微生物數量測定技術與上述檢測方法相比，具有響應快、樣品預處理要求低、設備簡單、操作方便、制造與使用成本低等優點，適于現場與在線測定，因而引起了人們的廣泛興趣。Matsunaga等[27]利用微生物燃料電池連續測定發酵罐里的細胞數量。當微生物釀酒酵母(S.cerevisiae)的濃度低于 4×109個/mL時，電池電流與微生物濃度成正比。然而，該體系只適用于快速測定高濃度微生物數量。Nishikawa等[28]將微生物預先濃縮在濾膜上，并以2, 6-二氯酚靛酚為電子傳遞中間體，能在15 min 內測定廢水中104～106個/mL范圍內低濃度的細菌數量。以勞氏紫為電子傳遞中間體，Patchett等[29]設計的傳感器能在5 min內快速測定細菌的濃度，其檢測下限為 105個/mL。盧智遠等[30]研制了一種能快速測定奶乳制品中細菌含量的燃料電池型微生物傳感器，該傳感器能在10 min內檢測出敞開鮮牛奶中滋生的細菌濃度，且測量結果與傳統的平板計數法測得的結果相吻合。同時，傳感器具有很寬的測量范圍，其檢測下限為 103個/mL，而檢測上限為1012個/mL。

微生物燃料電池提供了一種快速及連續測定微生物數量的方法。然而，這種方法的精確性受微生物生理條件的影響，這是因為微生物處于不同生長期，其代謝活性存在差異。此外，這種方法在測定混合微生物的數量方面，因為不同微生物的代謝機理和活性存在差異，因此，影響了測定的準確性，需要通過進一步研究提高其測定混合微生物數量的準確性。傳感器存在的上述不足制約了該技術的進一步應用。

2.5 細菌活性檢測傳感器

微生物的代謝活性是所有微生物過程的關鍵因素，可以使用不同方法對其進行測定，如測定底物降解、氧的消耗、生成的產物及酶活性等[31]。微生物燃料電池也可用于測定微生物的活性。在微生物燃料電池體系中，微生物通過將電子轉移給陽極進行呼吸，在其他條件一定的情況下，微生物燃料電池產生的電流與微生物的代謝活性直接相關，因此，電池產生的電流可用于直接、實時測定微生物的活性。Holtmann等[31]基于微生物燃料電池技術在線測定了大腸桿菌TG1(E. coliTG1)、釀酒酵母(S.cerevisiae)及熒光假單胞菌(P.fluorescens)等許多微生物的活性。Tront等[20]以乙酸為電子供體，利用微生物燃料電池現場監控硫還原地桿菌(G.sulfurreducens)的活性。Tront等[19]利用設計的微生物燃料電池型乳酸傳感器現場監控生物修復過程中沙雷菌 MR-1(S.oneidensisMR-1)代謝乳酸的呼吸速率。由于許多微生物可用作微生物燃料電池陽極的催化劑，因而微生物燃料電池可以用于測定許多微生物活性。

3 影響微生物燃料電池型生物傳感器性能的因素

圖3 限制微生物燃料電池性能的因素Fig.3 Factors limiting performance of microbial fuel cell

微生物燃料電池型生物傳感器的性能主要取決于微生物燃料電池的性能，而電池的性能主要受一些物理、化學和生物化學的因素影響，如圖3 所示[33]。主要包括以下幾方面[6,32?33]：(1) 微生物氧化底物的速率；(2) 電子從微生物傳遞到陽極的效率；(3) 外電阻；(4) 質子從陽極擴散到陰極的速度；(5) 陰極反應效率；(6) 陰極氧化劑擴散到陽極的影響；(7) 非理想的流體特性。在所有這些影響因素中，底物的轉化效率、電子從微生物傳遞到陽極的效率、質子的遷移速度及陰極反應效率是最重要的影響因素。具體來說，電池的性能取決于微生物的性質、陽極電極的性質、陰極電極的性質、電池結構及操作條件。針對上述影響因素，可以通過提高微生物的活性，改善陽極電極的性能，增強陰極的反應效率，改進電池構造及優化操作條件等方法提高微生物燃料電池的性能，進而提高傳感器的性能。

4 提高微生物燃料電池型生物傳感器性能的方法

4.1 提高微生物活性

許多微生物如脫硫弧菌(D.desulfuricans)、變形桿菌(P.vulgaris)、大腸桿菌(E.coli)、地桿菌屬(Geobacter species)、腐敗希瓦氏菌屬(Shewanella species)及鐵還原紅育菌(R.ferrireducens)等[2]可用作微生物燃料電池的生物催化劑。海底沉積物、廢水、淡水沉積物及活性污泥都是這些微生物的豐富來源。但是，地桿菌屬、腐敗希瓦氏菌屬和鐵還原紅育菌應用最為廣泛，因為它們能將電子直接傳遞到陽極。微生物會影響底物的轉化速率和電子的傳遞效率。盡管微生物燃料電池可以用純微生物接種作為催化劑，但是，在實際中混合微生物應用最多，這是因為它們代謝底物的范圍廣，且具有更好的催化性能。高活性的混合微生物可以從自然界中篩選獲得，也可以通過生物技術改造獲取。將微生物學和快速發展的基因工程方法結合起來，根據預定的目的控制或改變代謝途徑，從而獲得的一些“超級微生物”用于微生物燃料電池。因為微生物產電不是與其生存直接相關的自然選擇壓力，只是厭氧呼吸過程的延伸，所以，微生物的產電效率在自然條件下是很低的。對現有的產電微生物進行馴化改良是進一步提高產電微生物的產電效率的重要一步。其主要途徑之一是對微生物進行基因工程改造，以增加與胞外電子傳遞有關的胞外蛋白酶或納米導線的量，這樣可以大大增強微生物與陽極之間電子的傳遞，提高電子傳遞率。

4.2 改善陽極電極性能

陽極電極的材料和結構會影響微生物的量、微生物的附著及電子傳遞，有時直接影響底物的氧化。碳基質導電材料(如碳紙、碳布及石墨氈)經常被用于陽極材料，因為它們具有較強的穩定性、較高導電性及較大表面積。具有較高比表面積的多孔性導電材料最適合用作陽極電極，因為這類材料可以固定更多的微生物，有利于提高底物的氧化速率。Chaudhuri等[34]用石墨氈和石墨泡沫代替石墨棒作為電池的陽極，結果增加了電能輸出。用石墨氈做電極產生的電流是用石墨棒做電極產生電流的3倍，而用石墨泡沫產生電流密度是石墨棒的2.4倍，這說明增大電極比表面積可以增大吸附在電極表面的微生物，從而增大電能輸出。利用金屬、金屬氧化物、電子媒介體或導電聚合物對電極進行修飾，可以提高電極的性能。Park等[35]將電子媒介體(Mn4+或中性紅)摻入到石墨陽極里，使電流增大了10倍。Schr?der等[36]用導電聚合物聚苯胺修飾載鉑陽極后，電池的電流密度增加了1倍，這是因為聚苯胺既保護了鉑催化劑的活性，同時也起到了電化學催化作用。最近，Adachi等[37]利用聚乙烯亞胺對石墨氈表面進行修飾，然后鍵合上電子傳遞中間體9, 10-anthraquinone-2, 6-disulfate，以G. sulfurreducens為接種微生物，電流密度達到1.2 A/m2。電流密度的增加是由于固定的電子傳遞中間體 9,10-anthraquinone-2, 6-disulfate 增強了電子的傳遞。此外，用氨氣對碳布陽極進行處理后，也提高了電極的性能，這是因為氨氣處理后增加了電極表面電荷[38]。

4.3 增強陰極反應效率

陰極的還原反應往往是影響電池性能的限制因素。陰極反應效率取決于氧化劑的種類和濃度、質子的獲取、催化劑性能、電極結構及操作條件。許多不同的方法被用于改善陰極性能，如用催化劑對電極進行修飾，利用氧化還原電勢高的氧化劑或采用過電勢較低的氧化劑及優化操作條件等。

氧因為具有高氧化還原電勢，從而是微生物燃料電池中應用最為廣泛的陰極電子受體。當使用普通的碳電極或石墨電極時，陰極反應的效率比較低，因此，有必要用催化劑對電極表面進行修飾。Pham 等[39]報道用鉑修飾陰極電極后，其電流比電極未修飾時的電流高3～4倍。因為載鉑電極更容易與氧結合，催化氧氣參與電極反應，同時可以減小氧氣向陽極的擴散，因而能提高電池性能。盡管有許多關于催化劑的報道，如 PbO2[40]、鐵螯合物[41]及鈷螯合物[41?42]等，鉑催化劑仍是最為廣泛應用的催化劑，因為它的催化性能好及穩定性強。

增加電極表面積可以為陰極反應提供更多的反應位點，從而提高了陰極反應速率，進而可以增加電池的能量輸出。Sangeun等[43]使用表面鍍鉑的石墨電極做陰極，當陰極表面積從22.5 cm2增大到67.5 cm2時，電能輸出增大了24%；而當表面積減小至5.8 cm2時，電能減小了56%。因此，具有較大比表面積的石墨氈、碳布、碳紙及石墨顆粒，尤其是石墨氈和碳布經常被用作微生物燃料電池型傳感器的電極材料。

4.4 改進電池結構

MFC的結構對MFC的性能有很大的影響，它取決于 MFC的內阻、氧的利用方式及流體特性等。高內阻是限制 MFC能量輸出的關鍵因素[44]。許多方法可以降低內阻，其中最有效的方法是減小電極間距離。Liu等[45]將兩電極間距離由4 cm縮短到2 cm時，電池的能量輸出提高了68%。Ringeisen等[46]利用1個陽極體積只有1.2 mL、橫截面為2 cm2的微型MFC獲得了3 W/m2的能量密度。這種微型電池電極間距小，降低了內阻，同時有利于質子擴散。此外，該微型電池具有很大的表面積與體積之比，大的表面積與體積之比減小了液體擴散到電極表面的平均距離，從而提高了陽極室內電荷運輸效率。同時，小型 MFC減小了水力停留時間，因而能縮短響應時間。Moon等[47]將電池陽極的體積由25 mL減小到5 mL，當溶液的BOD由50 mg/L降到100 mg/L時，傳感器的響應時間則由原來的(36±2) min 縮短到(5±1) min。

氧是微生物燃料電池中應用最為廣泛的陰極電子受體。電池的能量輸出與陰極電解質中的溶氧濃度成正比關系[32]。在室溫下，氧在水中的溶解度很低(其飽和質量濃度＜8 mg/L)，當陰極反應消耗氧的速率超過氧的溶解速率時，水中氧的濃度會下降，最終會抑制陰極反應。在雙室微生物燃料電池中這種現象經常發生。大部分微生物燃料電池型 BOD生物傳感器采用雙室結構，但是，氧在水中低的溶解濃度嚴重影響了該類傳感器的性能。除了攪拌和鼓空氣外，可以使用空氣陰極改善陰極氧的供應[48]。單室微生物燃料電池由于提高了陰極氧的供應，更適合作為BOD傳感器。Lorenzo等[49]設計了一個單室MFC用于檢測廢水中的化學需氧量的方法，電池的電流與化學需氧量的線性范圍 達350 mg/L，而產電量與化學需氧量的線性范圍達500 mg/L。

此外，電池結構影響電池內流體特性，而流體特性反過來又影響電池性能。具有好的流體特性的MFC產生的電流和電荷要比流體特性差的MFC的大[50]。

綜上所述，具有大的表面積與體積比、短的水力停留時間及好的流體特性的單室微型 MFC是微生物燃料電池型生物傳感器最理想的反應器結構。

4.5 優化操作條件

操作參數，如pH、外電阻、電解質類型、底物濃度、給料流速及溫度等同樣會影響電池性能。Gil等[32]討論了pH、外電阻、電解質類型及陰極溶氧濃度對電池性能的影響。結果表明：當陽極室和陰極室不使用緩沖液時，隨著時間的變化，陽極室的 pH會逐漸升高，而陰極室的 pH則會逐漸降低。同時發現：當陽極室的pH在7左右時，MFC產生的電流最大。使用50 mmol/L的磷酸緩沖液加100 mmol/L的NaCl作為電解質液要比單獨使用 50 mmol/L的磷酸緩沖液或100 mmol/L的NaCl效果好。這是因為緩沖液在一定程度上減小了質子供應的限制，而 NaCl電解質起到降低電池內阻的作用。當外電阻大于500 ?時，外電阻是速率限制因素；而當外電阻小于500 ?時，質子擴散和氧的供應限制了陰極反應。許多研究表明：外電阻除了影響電池的能量輸出外，同樣會影響電池的響應時間[32,47,49,51?52]。外電阻越大，電池的輸出電流越小，響應時間越長。當外電阻為10 ?時， 生化需氧量為 400 mg/L的樣品可使電池的輸出電流迅速升高至1 mA，并在15 h內下降到基線；但當外電阻為500 ?時，同一樣品可使電池的輸出電流在0.3 mA維持30 h[32]。微生物燃料電池型傳感器的響應時間與底物濃度有關，濃度越高，響應時間越長。當生化需氧量為206.4 mg/L時，電池的響應時間約為10 h；當生化需氧量為2. 58 mg/L和6. 45 mg/L時，電池的響應時間＜30 min[14]。因此，可通過稀釋樣品來縮短響應時間。如果樣品中存在高氧化還原電勢的電子受體如氧或硝酸鹽，會降低電池的響應信號。Chang等[53]利用疊氮化物和氰化物作為呼吸抑制劑，既消除了陽極室中硝酸鹽、氧氣等高氧化性電子受體的負面影響，又不影響輸出電流，從而提高了底物的轉化效率和傳感器的靈敏度。待測樣品中的有毒物質會嚴重影響微生物燃料電池的穩定性。當有毒物質進入電池陽極室時，電化學活性微生物的代謝速率受到抑制，從而引起電流驟減，同時降低電池的產電效率。一定濃度的Hg，Cr6+，Pb以及苯酚、有機磷化合物、多氯聯苯等都可抑制電化學活性微生物的代謝速率[23]。可以通過對樣品進行預處理，降低有毒物質的濃度或去除有毒物質，以消除它們的影響。

5 問題與展望

微生物燃料電池型生物傳感器具有穩定性好和維護要求低等優點，且可以用于在線監測和過程控制，因而具有廣闊的應用前景。目前，基于微生物燃料電池技術開發了許多不同用途的生物傳感器，除部分成功應用并投放市場外，大都停留在實驗室研究階段，仍需進一步改進與完善。目前，微生物燃料電池型生物傳感器仍然存在許多局限性，從而影響了它在實際中的運用，這些局限性包括：(1) 響應時間長；(2) 靈敏度低；(3) 對樣品中含有的很多有毒物質缺乏抵抗性。為了解決傳感器存在的以上問題，進一步的研究工作應集中在提高微生物的活性、改善陽極電極的性能、增強陰極的反應效率、改進電池構造及優化操作條件等方面。隨著 MFC技術的進一步發展和完善，以及對該技術的深入了解，將開發出各種響應快、靈敏度高及穩定性好，且具有實際應用價值的微生物燃料電池型生物傳感器。

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(編輯 陳愛華)

Biosensors based on microbial fuel cell technology and their application

JIANG Hai-ming1,2,3, LI Xiao-ping1, LUO Sheng-jun1, XU Xiao-hui1, GUO Rong-bo1

(1. Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China;2. Weihai Marine College, Shandong University, Weihai 264209, China;3. Graduate University, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The principle of biosensors based on microbial fuel cell(MFC) was briefly described, and the different types of MFC-based biosensors and their application were mainly summarized. Factors that constitute barriers to increase MFC-based biosensor performance were analyzed and solutions to improve the performance of MFC-based biosensors were also discussed. This review will help the development of high performance MFC-based biosensors.

microbial fuel cell; biosensors; biochemical oxygen demand; toxicity; microbial activity

X835

A

1672?7207(2010)06?2451?08

2009?11?15；

2010?01?25

國家自然科學基金資助項目(20877046)；中科院知識創新工程重要方向項目(KGCX2-YW-373-2)

郭榮波(1970?)，男，山東壽光人，博士，研究員，從事生物燃氣與微生物燃料電池研究；電話：0532-80662708；E-mail:guorb@qibebt.ac.cn