微生物燃料電池電化學和生物技術研究進展

劉春梅， 徐 斌， 劉建新(河南科技大學車輛與交通工程學院，河南洛陽471003)

微生物燃料電池電化學和生物技術研究進展

劉春梅， 徐 斌， 劉建新
(河南科技大學車輛與交通工程學院，河南洛陽471003)

微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC)是以微生物作為催化劑，將廢水中蘊含的化學能轉化為電能的新型生物能源利用技術。與微生物相關的生化與電化學反應是決定MFC性能的關鍵過程。為了探求產電菌的生化與電化學特性，需采用一定的生物與電化學技術進行表征。對MFC中電化學和生物技術的研究進展進行綜述，對常用的電化學方法如極化曲線、循環伏安法、內阻的測量進行匯總，對生物技術手段如生物膜的群落分析、生物量的測量以及細菌形態的觀察進行論述，對其今后的應用前景進行了展望。

微生物燃料電池；電化學技術；生物技術

微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC)是利用微生物的催化作用，對廢水中的有機物進行降解，將有機物的化學能直接轉變為電能的裝置[1]。以常見的雙室MFC為例，在陽極室，微生物(尤其是附著在電極表面上的微生物)對有機物進行厭氧氧化并降解，產生H+、電子和CO2；微生物細胞內的電子先通過一系列呼吸酶傳遞給細胞膜外的某些蛋白質 (如C型胞外細胞色素)，再通過不同的胞外電子傳遞方式傳遞到陽極表面；電子由外電路到達陰極，H+跨過離子交換膜到達陰極；在陰極電極表面，電子、H+和O2發生還原反應，完成整個氧化還原過程。

目前，與化學燃料電池相比，MFC的功率低了1～2個數量級[2]。MFC中涉及了微生物的生化與電化學反應、電子傳遞等過程，為一復雜的生化電化學體系，其緩慢的生化與電化學反

本文對應用于MFC中的電化學與生物技術的研究進展進行了綜述，以便了解MFC中常用的電化學與生物技術手段，以期通過各種技術手段深入了解MFC中產電菌或者生物膜的產電和生化特性。

1 電化學技術研究現狀

1.1極化曲線

極化曲線是表征電池電壓或電勢與電流關系的曲線。MFC中，可以采用不同的方法獲得電池或電極的極化曲線。通過改變外電阻獲得的極化曲線，可以在一個周期內改變電池外電阻(單循環方法)或者在一個周期內只采用一個外電阻(多循環模式)[3-4]。極化曲線也可以通過線性伏安掃描法獲得[5-6]，但是掃速為1 mV/s時獲得的功率比0.1 mV/s時高出了80％。因此若利用線性伏安法獲得可靠的極化曲線，應該在低掃速(0.1 mV/s)下進行，以保證測量時體系處于近似穩定狀態[4]。

1.2循環伏安法

循環伏安 (cyclic voltammetry，CV)法是一種廣泛應用于MFC研究中的電化學技術手段，可以研究細菌的電化學活性和電子傳遞方式。Liu[7]利用CV方法研究了以污水為接種體，不同陽極材料如石墨棒、多晶碳棒、碳纖維紗、石墨薄片、碳紙等陽極生物膜的電化學活性，結果表明，生長在石墨棒和多晶碳棒的生物膜表現出相似的電催化活性；碳纖維紗和碳紙上的生物膜的電化學活性比石墨棒上的高了40％。Prasad[8]利用CV方法研究了固定在電極上的酵母菌Hansenulaanomola的電子傳遞方式，從測試結果推斷出，此種細菌的胞外細胞膜上存在氧化還原酶，這些酶直接與電極相互作用來傳遞電子。Richter[9]對生長在碳布陽極上的野生型和變異的Geobacter Sulfurreducens的生物膜進行了CV測試，以確定電子傳遞過程中起作用的電子介體種類，結果表明，野生型的生物膜是由電子介體組成的導電體，其中C型胞外細胞色素Z(outer membrane c-type cytochrome Z,OmcZ)參與了各向同性的電子傳遞過程，而C型胞外細胞色素B(OmcB)參與了各向異性的電子傳遞過程。實驗首次證明了Geobacter生物膜利用大量的電子介體來傳遞電子，并且在胞外電子傳遞過程中，區分了OmcB和OmcZ的作用。

研究者將CV技術與其他生物方法結合來研究MFC中的生物電化學反應。Millo[10]利用CV和拉曼光譜技術，首次對活性生物膜中的胞外細胞色素進行原位光譜測量，以探查電極表面附近蛋白質中的亞鐵紅素基因。結果表明，細菌中存在兩種細胞色素，其與電極直接進行電子傳遞。為了評價細菌Geobacter Sulfurreducens產生的氧化還原蛋白質的電化學活性，Liu[11]采用CV技術和紫外/可見光光譜分析進行研究，研究結果證實了C型細胞色素參與的直接電子傳遞方式是電流產生的原因。

1.3內阻測量

MFC的內阻是影響電池性能的關鍵因素之一[12]。獲得電池內阻的方法有以下幾種：極化曲線斜率[13]，功率曲線最大功率點處[12]，電流中斷法[14]和電化學阻抗譜法[15-16]。極化曲線斜率可從極化曲線的線性部分獲得。在功率密度曲線上，電池的最大功率點處，電池內阻等于外接電阻。電流中斷法是快速中斷電路(微秒級)，并記錄中斷前后的電勢，根據歐姆定律獲得歐姆阻抗的方法。電化學阻抗譜法(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)不僅可以區分不同組成部分的阻抗，而且在極化條件下進行測量，不破壞電極/電解液界面處的平衡狀態。

MFC研究中，EIS測試可以在開路和極化條件下進行。Srikanth[16]以細菌Geobacter Sulfurreducens為催化劑，在生物膜附著前后對碳紙陽極進行EIS測試，研究結果表明，當細菌存在時，陽極的極化阻力極大地降低，陽極的電容也大大增加，這可歸結為陽極表面存在著導電的生物膜，加快了陽極氧化反應的速率。Ouitrakul[17]對鋁、銀、鎳、不銹鋼和碳布等陽極材料進行了EIS測試，結果表明，碳布和銀電極表現出低的極化阻力，而其他材料的極化阻力較高。Qiao[18]針對涂有碳納米管/polyaniline復合涂層的鎳泡沫電極進行了EIS測試，結果表明，隨著電極表面上碳納米管載量的增加，陽極極化阻力隨之降低。Ramasamy[15]在陽極生物膜的生長階段進行了EIS測試，經過3周時間，陽極阻力大大降低，表明陽極表面發生的氧化反應的動力性增強了。Borole[19]報道了陽極生物膜形成階段電極阻抗的變化情況，結果表明，43天運行后，陽極和陰極阻抗均顯著減小，且陽極電容有所增加。

在極化條件下進行EIS測試，不僅可以反映運行時MFC內阻的組成，也可以研究不同實驗條件對電化學反應的影響。Ramasamy[18]在陽極電極上施加不同的電流密度；Manohar[20]在電池上施加了不同的電壓；Borole[19]和Ren[21]在不同的MFC外接電阻下，進行了EIS測試。以上EIS結果表明，隨著電池電流的增加、電池電壓的降低以及外電阻的減小，電極或者電池的極化阻力隨之降低。

研究者也利用EIS技術考察了其它實驗條件對MFC中電化學反應的影響。He[22]發現在旋轉陰極MFC中，陰極旋轉前后，陽極極化阻力從28 Ω增加到65 Ω。這是由于陰極的旋轉增加了陽極室中溶解氧的濃度，對細菌的厭氧代謝有負作用。隨后，He[23]針對空氣陰極MFC，研究了電解液pH對電極反應的影響。結果表明在pH為7的電解液中，陽極阻抗最低；當溶液pH從5增加到10，陰極阻抗隨之降低。

除此之外，有研究者利用EIS技術研究生物膜與電極的電子傳遞方式。Ramasamy[24]首次利用EIS技術研究Shewanella自身分泌的電子介體的電化學特性。

2 生物技術研究現狀

2.1生物膜群落分析

MFC中用于分析生物膜群落的方法主要有變性梯度凝膠電泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)[25-26]、16S rRNA克隆庫方法(16S rRNA clone library method)[27-28]、熒光原位雜交技術(fluorescence in situ hybridization,FISH)[29-30]和聚合酶鏈式反應技術(polymerase chain reaction，PCR)[31]等。

Kim[25]采用16S rRNA克隆庫方法獲得的細菌種類與利用DGGE方法獲得的細菌種類非常相似。Sun[26]利用16S rRNA克隆庫對4種陽極填料材料上的細菌種類進行分析。在石墨活性碳和小立方體碳氈上，細菌Geobacter所占比例最大；在石墨顆粒上，細菌Azospira的數量最多。結果表明石墨活性炭最適應細菌Geobacter的附著和生長。

2.2生物量測定

按照Sun[26]和Wei[28]的研究，電極上活性生物量與MFC功率呈正相關關系。MFC中可以采用不同方法獲得電極上的生物量：將樣本染色，利用熒光顯微鏡獲得細菌總數[29]，以蛋白質含量來表征生物量[30]，磷脂法獲得活性生物量[31-32]。磷脂法最初由Findlay[31]提出，隨后由Aelterman[32]改進，用于測量活性細菌中磷脂含量，并通過轉換關系最終確定活性細菌的質量。

2.3顯微技術

可以利用各種顯微鏡，如激光共聚焦掃描顯微鏡(confocal laser scanning microscopy,CLSM)[33-34]、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)[33-35]、熒光顯微鏡(epiflourescencemicroscopy,EM)[36-37]、透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)[34,36]、原子力顯微鏡 (atomic force microscopy, AFM)[37-38]等來觀測生物膜的形貌以及細菌的形態。

Franks[33]利用對pH敏感的熒光染色劑將生物膜染色，利用CLSM實時監測了生物膜內pH分布。結果顯示，靠近電極處的H+濃度較高；當主流區pH為7.0時，在陽極電極附近的pH為6.1。Kim[34]利用CLSM技術發現，混合菌種是由帶負電荷和正電荷的細菌組成，并且這些細菌在電極表面上形成菌落；SEM結果顯示電極表面上細菌的尺寸不同，存在一些0.2～0.3 μm的小尺寸細菌；TEM結果表明小尺寸細菌具有雙層細胞壁。Read[35]利用CLSM和SEM技術觀察到生物膜內細菌活度是不同的，在電極附近，帶負電荷和正電荷的細菌活度較高；沿著遠離電極方向，活度逐漸降低。Dumas[36]首次利用EM技術，估算了細菌Geobacter Sulfurreducens在石墨和形穩陽極(dimensionally stable anodes，DSA)電極上生物膜內所占比例。Reguera[38]利用AFM觀測到G.sulfurreducens產生的納米導線的結構比S.oneidensis產生的要窄得多。

3 展望

微生物燃料電池中，生物與電化學技術是研究細菌尤其是生物膜的生化與電化學特性的手段。原地且實時的生物與電化學技術是MFC測量技術研究中的一個發展方向，這可以為研究不同操作條件下MFC的性能提供直接而可靠的依據。

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Research progress of electrochemistry and biological technologies in microbial fuel cells

LIU Chun-mei,XU Bin,LIU Jian-xin
(Institute of Vehicle and Motive Power Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan 471003,China)

Microbial fuel cell(MFC)was a new biological energy utilization technology,using microorganisms as catalysts,which could transform chemical energy storing in waste water into electricity.The biochemical and electrochemical reactions related with the bacteria were the key processes to decide the performance of the MFCs.To investigate the chemical and electrochemical characteristics of bacteria,the biological and electrochemical technologies were used in the MFCs.The research progress of the biological and electrochemical technologies in the MFCs was reviewed.The electrochemical technologies adopted in the MFCs such as polarization curves,cyclic voltammetry and internal resistance measurement were summed.And the biological technologies such as community analysis of biofilm,biomass measurement and morphologies of bacteria observation were gathered.Finally, application prospects of those technologies were forecasted.

microbial fuel cell;electrochemical technology;biological technology

TM 911

A

1002-087 X(2016)01-0225-04

2015-06-13

河南科技大學博士啟動基金(4003-13480033)；河南科技大學大學生研究訓練計劃(2015023)

劉春梅(1980—)，女，河南省人，博士，講師，主要研究方向為微生物燃料電池中關鍵熱物理問題。應是制約性能的關鍵過程。因此，研究與微生物有關的電子傳遞過程、細菌的電化學活性以及降解特性很有必要。為了探求產電菌尤其是生物膜的電化學活性和生化特性，需要一定的電化學和生物技術手段進行表征。