電化學(xué)活性微生物在微生物燃料電池陽(yáng)極中的應(yīng)用

張人杰

牡丹江大學(xué)

電化學(xué)活性微生物在微生物燃料電池陽(yáng)極中的應(yīng)用

張人杰

牡丹江大學(xué)

微生物燃料電池是利用產(chǎn)電菌代謝有機(jī)物產(chǎn)生電子，將該電子傳遞到外電路中輸出電能從而進(jìn)行發(fā)電。是一種新型的清潔能源。其中陽(yáng)極電化學(xué)活性微生物是影響微生物燃料電池產(chǎn)電效率的關(guān)鍵因素之一。本文就電化學(xué)活性微生物的富集、分離，應(yīng)用以及影響電化學(xué)活性微生物產(chǎn)電能力的主要因素進(jìn)行了綜述，為微生物燃料電池研究的不斷深入提供理論依據(jù)。

電化學(xué)活性微生物；微生物燃料電池；陽(yáng)極；應(yīng)用

1.引言

微生物燃料電池（MFC）是利用產(chǎn)電菌代謝工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的有機(jī)廢水廢物、動(dòng)物和人類排出的糞便、生活垃圾廢物、農(nóng)作物秸桿廢棄物等可生物降解的有機(jī)物，其代謝過程產(chǎn)生電子，將該電子傳遞到外電路中輸出電能從而進(jìn)行發(fā)電。微生物燃料電池是一種新型的清潔能源，因其具有良好的環(huán)境效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)，受到了廣大科研人員的普遍關(guān)注[1]。目前產(chǎn)電菌主要為具有電化學(xué)活性的微生物，該類微生物能夠通過細(xì)胞自身的生理代謝產(chǎn)生電子從而被加以利用是微生物燃料電池功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。因此通過對(duì)各產(chǎn)電微生物的生理生化特性以及陽(yáng)極表面的電子傳遞機(jī)制進(jìn)行深入研究、發(fā)現(xiàn)優(yōu)良產(chǎn)電微生物、探討并研究菌種之間的協(xié)同作用，有助于提高電化學(xué)催化能力，促進(jìn)微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用推廣。

2.電化學(xué)活性微生物的來源、富集、分離及鑒定

微生物種類繁多，在自然界中的存在形態(tài)多種多樣，環(huán)境中存在著大量電化學(xué)活性微生物。如何將一株目標(biāo)微生物進(jìn)行富集并分離是研究的關(guān)鍵所在，通常情況下利用其菌落生長(zhǎng)特性借助生物學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分離及分類學(xué)的鑒定。然而通過排除微生物種間相互作用，簡(jiǎn)化體系進(jìn)行的純培養(yǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)微生物的富集和分離，但微生物的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和生存環(huán)境會(huì)變得非常單一，致使微生物的自然生存方式和共同協(xié)作功能紊亂，可見，能夠單純從環(huán)境中分離的微生物很少[2]。更多時(shí)候需要采用人工方式通過控制pH值、溫度、光照、溶解氧等優(yōu)化培養(yǎng)條件，選擇適宜的培養(yǎng)基有利于微生物的生長(zhǎng)豐富電化學(xué)活性微生物的來源、實(shí)現(xiàn)微生物的分離。

目前多利用生理生化、形態(tài)學(xué)、生物學(xué)特性進(jìn)行微生物的鑒定。核糖體基因RNA(rRNA)具有保守性同時(shí)又具有可變性，保守性是其生物物種親緣關(guān)系的反映，可變性是生物物種進(jìn)化的差異表現(xiàn)，因此利用rRNA基因用于生物物種分子鑒定具有可行性。常用的方法主要有ITS序列和16S rRNA基因。

3.電化學(xué)活性微生物的應(yīng)用

電化學(xué)活性微生物具有去除污染與產(chǎn)電的雙重功能，隨著對(duì)其性能研究不斷的深入，電化學(xué)活性微生物應(yīng)用于微生物燃料電池逐步進(jìn)入實(shí)踐階段。融入到多種領(lǐng)域。

3.1 產(chǎn)電

傳統(tǒng)的微生物燃料電池產(chǎn)電值較低，難以保證穩(wěn)定的功率輸出。隨著近年來電化學(xué)活性微生物的引進(jìn)，微生物燃料電池的功率輸出大為提高，能夠作為發(fā)電器直接使用，直接提供能源，穩(wěn)定功率輸出，實(shí)現(xiàn)了為氣象浮標(biāo)等遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀器供電的可能[3]，得到了廣泛關(guān)注。

3.2 污水處理工藝

在微生物燃料電池運(yùn)行過程中，陽(yáng)極的污染物被降解，可作為一種新型的污水處理工藝。對(duì)污水的去除效果良好，去除率可高達(dá)90%以上[4]。通過連續(xù)流管狀反應(yīng)器，調(diào)節(jié)水力停留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)污水連續(xù)處理。特別是使用溶解氧的液體陰極，陽(yáng)極沒有得到有效去除的有機(jī)質(zhì)流進(jìn)陰極室，其好氧處理作用將顯著提高污染物去除效率。

3.3 強(qiáng)化型原位生態(tài)修復(fù)

當(dāng)污染區(qū)域缺乏電子受體時(shí)裝置微生物燃料電池，其陽(yáng)極作為一種外加的電子受體，可加速污染區(qū)有機(jī)質(zhì)的降解。微生物燃料電池作為一種生態(tài)修復(fù)技術(shù)，裝置于有機(jī)質(zhì)污染的土壤、濕地、沉積物中，使其自行運(yùn)行，在微生物的共代謝作用下，去除有機(jī)質(zhì)，消除污染物，強(qiáng)化型原位生態(tài)修復(fù)。

3.4 還原氧化態(tài)污染物

在去除有機(jī)污染物的同時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，電子傳輸于外電路中產(chǎn)生電流。在反應(yīng)過程中氧化態(tài)的污染物反硝化作用來脫氮被還原，毒性降低或轉(zhuǎn)化成易降解的物質(zhì)。該反應(yīng)基于電化學(xué)活性微生物的活性，具有啟動(dòng)時(shí)間短、輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)。擺脫了對(duì)微生物的依賴，獲得了較高的功率輸出。

4.影響電化學(xué)活性微生物產(chǎn)電能力的主要因素

提高電化學(xué)活性微生物產(chǎn)電能力是工藝實(shí)用化過程中必須解決的主要問題。一方面由于環(huán)境中微生物的多樣性使得水處理器中涉及到除產(chǎn)電微生物以外的多種功能菌生長(zhǎng)，影響了電化學(xué)活性微生物在水處理器中的適應(yīng)性，降低了膜上菌種生態(tài)位的競(jìng)爭(zhēng)力與更替，影響了系統(tǒng)產(chǎn)電的穩(wěn)定性，通過縮短產(chǎn)電微生物的馴化時(shí)間、增加膜量以提高電化學(xué)活性微生物產(chǎn)電能力。另一方面污水的性質(zhì)是影響產(chǎn)電能力的重要外因，污水成分越復(fù)雜，電子供體種類越多，不能保證電極作為電子供體的唯一性，從而影響整個(gè)電池的電能輸出，影響其產(chǎn)電的穩(wěn)定性和持續(xù)性。污水的性質(zhì)和特點(diǎn)是影響電化學(xué)活性微生物產(chǎn)電能力的重要參考。

5.總結(jié)與展望

隨著微生物燃料電池研究的深入和全面開展，其產(chǎn)電機(jī)制逐漸明了，其性能的優(yōu)化研究已取得了顯著的成就，但產(chǎn)電菌的功能基因與生理特征，如何降低成本、增加輸出功率，協(xié)調(diào)去污與產(chǎn)能的關(guān)系等問題尚待解決。在學(xué)者們共同努力之下，微生物燃料電池已經(jīng)步入實(shí)踐階段。微生物燃料電池在去除污染和探索清潔新能源領(lǐng)域具有可預(yù)見的應(yīng)用前景，但還存在著啟動(dòng)與運(yùn)行成本高昂、較大功率輸出的維持等主要問題。尚需科研人員不斷研究改進(jìn)，最終將微生物燃料電池應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn)，真正服務(wù)于人類。

[1]王維大,李浩然,馮雅麗,等.微生物燃料電池的研究應(yīng)用進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2014,33(5):1067-1076.

[2]肖勇,吳松,楊朝暉,等.電化學(xué)活性微生物的分離與鑒定[J].化學(xué)進(jìn)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]謝晴,周蕓.微生物燃料電池與污水處理工藝結(jié)合應(yīng)用進(jìn)展[J].水處理技術(shù),2015(1):5-8.

張人杰（1985-）女，漢，黑龍江人，本科，講師，研究方向：微生物學(xué)。