基于混菌產(chǎn)電微生物燃料電池的最新研究進(jìn)展_謝晴.pdf

1、第 26卷 第 2期 中國(guó)給水排水Vol.26 No.22010年 1月CHINAWATER WASTEWATERJan.2010基于混菌產(chǎn)電微生物燃料電池的最新研究進(jìn)展謝 晴 , 王 彬 , 冷 庚 , 楊嘉偉 , 但德忠(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院, 四川 成都 610065)摘 要 : 混菌微生物燃料電池 (MFC)是直接利用環(huán)境中多種微生物附著于陽極而產(chǎn)電的方 式 ,相對(duì)于純菌 MFC的前期菌種培養(yǎng)和富集 ,混菌電池的啟動(dòng)不僅省時(shí)且更節(jié)約成本,同時(shí)其抗環(huán) 境沖擊的能力也更強(qiáng), 電池穩(wěn)定性更高。介紹了混菌 MFC的最新研究現(xiàn)狀, 詳細(xì)討論了產(chǎn)電微生 物的種類、電子傳遞機(jī)制、影響混菌 MFC

2、產(chǎn)電效能的主要因素 , 以及目前存在的問題等, 并指出了 混菌 MFC的未來研究重點(diǎn)和方向。關(guān)鍵詞 : 混菌; 微生物燃料電池(MFC); 電子傳遞 ; 產(chǎn)電微生物中圖分類號(hào) :X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B文章編號(hào) :1000 -4602(2010)02 -0009 -06RecentResearchProgressinMicrobialFuelCelBasedonMixedBacteriaXIEQing, WANGBin, LENGGeng, YANGJia-wei, DANDe-zhong(ColegeofArchitectureandEnvironment, SichuanUniversit

3、y, Chengdu610065, China) Abstract: Microbialfuelcel(MFC)basedonmixedbacteriaisanelectrogenicapparatusin whichavarietyofmicroorganismsfromtheenvironmentdirectlyatachtotheanode.ComparedwithMFC basedonpurebacteria, mixedMFCbasedonbacteriahasshorterstarttime, lowercost, strongerresist-ancetoenvironmenta

4、lshockandhigherstability.TherecentresearchstatusofMFCbasedonmixedbac-teriaisintroduced, includingtypesofelectrogenicmicroorganisms, electrontransfermechanisms, main factorsafectingtheelectricitygenerationandexistingproblems.Furthermore, thefutureresearchempha-sisanddirectionofMFCbasedonmixedbacteria

5、ispresented. Keywords: mixedbacteria; microbialfuelcel(MFC); electrontransfer; electrogenicmi-croorganisms利用天然厭氧環(huán)境中的混合菌接種是目前微生 物燃料電池 (MFC)研究中最常用的接種形式 , 該接 種方法對(duì)于初級(jí)產(chǎn)電微生物的篩選十分重要。相對(duì) 于純菌 ,混合菌抗環(huán)境沖擊能力強(qiáng),可利用基質(zhì)范圍 廣 ,同時(shí)可以發(fā)揮菌群間的協(xié)同作用 ,增強(qiáng) MFC運(yùn) 行的穩(wěn)定性 ,提高系統(tǒng)的產(chǎn)電效率,這對(duì)微生物燃料 電池的工程實(shí)用化有較大的優(yōu)勢(shì) 1 。環(huán)境中存在著大量具有電化學(xué)活性的細(xì)菌 ,尤 其是富含微

6、生物的海底沉積物和厭氧活性污泥。大量研究表明,采用適當(dāng)?shù)幕旌暇航臃N可以獲得與 用純菌體接種相當(dāng)?shù)奶幚硇Ч?2 。目前已經(jīng)有利 用厭氧顆粒污泥、消化污泥、生活污水、厭氧 /好氧混 合污泥以及牛胃液等作為接種源成功啟動(dòng)微生物燃 料電池的實(shí)例。由于接種源的不同 , 富集到的微生 物菌群往往有較大差別。目前已報(bào)道的可產(chǎn)電的純 菌種類有限,且對(duì) MFC中混菌的群落結(jié)構(gòu)研究才剛 剛起步,因此對(duì)混菌中究竟何種微生物起產(chǎn)電關(guān)鍵 作用還不甚清楚 1 , 特別是對(duì)其中產(chǎn)電細(xì)菌與非產(chǎn)基金項(xiàng)目:四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2008JY0042)· 9·第 26卷 第 2期 中國(guó)給水排水 電細(xì)菌

7、之間關(guān)系的研究還有待進(jìn)一步深入。 地桿菌科微生物的電子傳遞機(jī)制地桿菌科有很好的遺傳背景 ,屬 -proteobacte-1 ria。以 G.sulferreducens為例 9 , 在有機(jī)物降解過程根據(jù)已發(fā)現(xiàn)且證實(shí)的純菌電子傳遞方式主要有四種 直接接觸傳遞 納米導(dǎo)線輔助傳遞 電子穿梭中, 可以只用電極作電子受體而完全氧化電子供體;:、在無氧化還原介體的情況下, 可以定量轉(zhuǎn)移電子給傳遞和初級(jí)代謝產(chǎn)物原位氧化傳遞 3 7 ,這四種傳遞方式可概括為兩種機(jī)制 ,前兩者為生物膜機(jī)制,后電極。這種電子傳遞歸功于吸附在電極上的大量細(xì)兩者為電子穿梭機(jī)制。胞。由于 G.sulfureducens的全基因組序列的

8、測(cè)序已生物膜機(jī)制 ,即微生物在電極表面聚集形成生經(jīng)完成, 所以目前基本都是以 G.sulfurreducens為模物膜, 達(dá)到直接接觸或利用納米導(dǎo)線輔助轉(zhuǎn)移電子式菌進(jìn)行 MFC的研究。的目的 ,是一種無介體電子傳遞。無介體電子傳遞 腐敗希瓦氏菌的實(shí)現(xiàn)要求微生物細(xì)胞膜或膜上某些組件 (細(xì)胞色希瓦氏菌因其呼吸類型的多樣性而得到廣泛研素 醌類等物質(zhì) 與陽極表面在空間上直接接觸。究, Kim等 10 采用循環(huán)伏安法研究了 S.putrefaciens、)MR-1、S.putrefaciensIR21和 SR221 的電化學(xué)活性目前認(rèn)為以此種方式傳遞電子的微生物主要有腐敗希瓦氏菌 鐵還原紅螺菌 地桿菌和

9、嗜水氣單胞菌(分別以這幾種細(xì)菌為催化劑、以乳酸鹽為燃料的、微生物燃料電池), 發(fā)現(xiàn)不用氧化還原介體 ,直接加等。電子穿梭機(jī)制是微生物利用外加或自身分泌的電子穿梭體 氧化還原介體),將代謝產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)入燃料后電池的電勢(shì)都有明顯提高 , 說明該類細(xì)菌(是通過細(xì)胞膜直接傳遞電子的。移至電極表面。由于微生物細(xì)胞壁的阻礙 , 多數(shù)微生物自身不能將電子傳遞到電極上, 需借助可溶性 紅螺菌氧化還原介體進(jìn)行電子傳遞。常見的外加介體主要紅螺菌是一種氧化鐵還原微生物。與其他產(chǎn)電有硫堇甲基紫精2羥基菌相比,其最重要的優(yōu)勢(shì)就是它能將糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化1 4(TH+)、Fe( )EDTA、-為電能,并完全氧化葡萄糖。研究發(fā)現(xiàn)

10、鐵還原紅螺萘琨中性紅等另外一些微- ,-(HNQ)、(NR) ,菌將糖類轉(zhuǎn)化為電能的效率高達(dá) 80%以上 ,是一種生物則是通過產(chǎn)生的可氧化代謝物 初級(jí)或次級(jí)代謝物如2(高效的產(chǎn)電菌 ,這將大大推動(dòng)微生物燃料電池的實(shí)2 等 作為氧化還原介體。,H、HS )用進(jìn)程。除上述幾類細(xì)菌外, 丁酸梭菌、糞產(chǎn)堿菌、最近的研究表明,腐敗希瓦氏菌和銅綠假單胞菌等許多微生物生成的次級(jí)代謝產(chǎn)物均會(huì)影響電子鶉雞腸球菌和銅綠假單胞菌等也有產(chǎn)電能力 11、12 。的胞外傳遞 4 ,若這些菌種中負(fù)責(zé)介體生成的基因總的說來, 目前了解的比較高效的產(chǎn)電微生物失活或鈍化,就會(huì)造成這類電池電流的大幅下降。主要集中于固體金屬氧化物還

11、原菌 , 它們屬于變形在混合菌產(chǎn)電過程中,上述兩種機(jī)制往往同時(shí)菌, 革蘭氏陰性 ,這類細(xì)菌的自然生長(zhǎng)條件與微生物MFC存在, 協(xié)同促進(jìn)產(chǎn)電過程 8 。2 產(chǎn)電微生物的種類產(chǎn)電微生物從早期的介體型細(xì)菌到無介體型細(xì) 菌 ,再到最近的自介體細(xì)菌的發(fā)現(xiàn),表明產(chǎn)電微生物 的種類較分散、來源較廣泛。研究表明,產(chǎn)電微生物 大致來自于細(xì)菌域的三個(gè)分支 :變形菌、酸桿菌和厚 壁菌 1 。 大腸桿菌 大腸桿菌自身電化學(xué)活性很低 , 需要富集純培養(yǎng) ,其純菌種產(chǎn)電的性向單一明了,代謝產(chǎn)生的電子 需要外源中間體的參與才能傳遞到電極表面。該類 細(xì)菌在厭氧條件下均能發(fā)酵產(chǎn)氫, 主要集中于電子 傳遞過程中化學(xué)介體的選擇和菌

12、體 -介體組合的研 究。此類菌還包括枯草桿菌、變形菌、脫硫弧菌等。燃料電池的條件類似,電子傳遞方式也有共同之處。 最近的研究發(fā)現(xiàn), 一些低 G+C革蘭氏陽性細(xì)菌也 能產(chǎn)電,它們能降解有機(jī)物、發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)酸產(chǎn)氣, 但不能直接分解糖類 ,其能量來源是氨基酸代謝和 呼吸過程 13 。由于革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁的厚度遠(yuǎn) 大于陰性菌,電子穿過細(xì)胞壁到體外的過程與發(fā)酵 和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的其他電子傳遞過程相比優(yōu)勢(shì)并不明 顯, 因此產(chǎn)電能力相對(duì)較弱。該類細(xì)菌以酸桿菌門、彎曲桿菌科和螺桿菌科為主。3 混菌 MFC產(chǎn)電效能的影響因素3.1 生物膜的馴化方式MFC生物膜的形成到死亡需經(jīng)歷如下過程:可 逆吸附不可逆吸附多個(gè)微生

13、物菌落的形成和逐 漸擴(kuò)大成熟的生物膜 生物膜的老化解離 14 。· 10·謝 晴, 等:基于混菌產(chǎn)電微生物燃料電池的最新研究進(jìn)展 第 26卷 第 2期研究表明在微生物電池里 , 達(dá)到穩(wěn)定電流平臺(tái)的時(shí) 間是微生物吸附在電極上逐漸形成成熟生物膜所需 的時(shí)間 ,電流的大小受生物膜的影響 15 。目前報(bào)道 的細(xì)菌生物膜馴化法主要是針對(duì)無介體型產(chǎn)電微生 物 ,而馴化的詳細(xì)操作過程卻鮮見報(bào)道。微生物催化劑必須通過馴化才能獲得可接受的 電催化活性。 EunJeongCho等利用系列轉(zhuǎn)接法對(duì) 無介體型產(chǎn)電微生物催化劑進(jìn)行了馴化 16 , 在液體 培養(yǎng)基內(nèi)加入燃料及電子受體 ,利用稀釋法對(duì)獲

14、得 的菌液進(jìn)行厭氧培養(yǎng)。該法操作簡(jiǎn)單, 能提高微生 物的厭氧適應(yīng)性 ,但對(duì)其電催化活性能力的提高非 常有限 17 。郗名悅等 18 嘗試?yán)么朔Z化介體型 產(chǎn)電微生物 E.coli, 發(fā)現(xiàn)該法會(huì)造成培養(yǎng)液內(nèi)出現(xiàn) 墨綠色沉淀 (這是添加電子介體新亞甲基藍(lán)所致), 不利于介體型生物膜的馴化。 Rabaey采用多次刮 移生物膜法對(duì)混合產(chǎn)電菌種 (污泥、廢水)進(jìn)行馴 化 4 ,效果顯著,電池產(chǎn)電能力大大增強(qiáng), 但缺點(diǎn)是 馴化次數(shù)多 (達(dá) 7次), 時(shí)間長(zhǎng)(63 d)。通常的微生物馴化法需采取多次刮膜操作以優(yōu) 化菌種 ,但刮膜操作會(huì)造成膜電化學(xué)活性的損失并 延長(zhǎng)膜再成熟的時(shí)間。采用在線馴化法 18 ,

15、通過 MFC伏安曲線可判斷生物膜的成熟 , 當(dāng) MFC電流 值達(dá)到恒定的最大值 (Imax)即表示電極上已形成成 熟的生物膜 19、20 。該法在判斷上更可靠 ,并省去了 繁瑣的刮膜操作 ,為馴化方式的改進(jìn)提供了參考。此外,通過選擇適合的不同菌種進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng) , 使之在生物膜中建立互利共生關(guān)系, 能縮短掛膜時(shí) 間 ,同時(shí)也有較高的功率輸出 21 。 Rabaey等 11 利 用地桿菌、脫硫弧菌、交替單胞菌、腸桿菌、巴斯德氏 菌、梭菌、叢毛單胞菌和氣單胞菌等菌屬所構(gòu)成的菌 群進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng) ,最終得到的電流密度是單菌培養(yǎng) 的 6倍。3.2 陽極特性3.2.1 陽極內(nèi)阻與表面積兩室型 MFC中 ,利

16、用極化曲線測(cè)得的陽極內(nèi)阻 包括活化內(nèi)阻、濃差內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻等三部分。黃 素德等 22 發(fā)現(xiàn)由微生物代謝及電子傳遞引起活化 阻力的差異是引起陽極內(nèi)阻間差異的主要因素 ,在 接種混合菌時(shí)陽極的材質(zhì)和形式均可影響附著微生 物的種類和生物量,進(jìn)而影響活化阻力的大小 ;微生 物的活性越高、參與反應(yīng)的數(shù)量越大 ,則反應(yīng)阻力越 小 ,從而陽極內(nèi)阻越小。 Cheng等 23 發(fā)現(xiàn) , 當(dāng)陽極溶液穿過多孔電極時(shí) ,電池的產(chǎn)電性能會(huì)大幅度提 高, 原因是多孔電極減小了溶液穿過電極內(nèi)部孔隙 的傳質(zhì)阻力,使微生物更有效地在內(nèi)部孔隙中附著, 相當(dāng)于增大了表面積,從而提高了輸出功率。可見, 陽極內(nèi)阻的大小取決于陽極產(chǎn)電微

17、生物的數(shù)量, 而 生物量又取決于陽極實(shí)際用于附著微生物的面積。對(duì)于多孔電極, 有效孔體積和孔徑分布共同影 響著微生物的實(shí)際附著面積 ,在相同的孔徑下,有效 孔體積越大,則能提供給微生物的附著面積就越大; 而適當(dāng)?shù)卦龃罂讖絼t可減小電極內(nèi)部的傳質(zhì)阻力, 同樣也可以增大微生物的附著面積。對(duì)于非多孔電 極, 粗糙的表面具有較強(qiáng)的吸附性 ,可加快微生物的 附著速度 ,并且粗糙的表面亦具有相對(duì)較大的表面 積, 也提高了電極的產(chǎn)電性能 1、22 。3.2.2 表面電位 MFC接種混合污泥后要經(jīng)過一個(gè)啟動(dòng)期 ,產(chǎn)電才能達(dá)到穩(wěn)定。陽極表面電位的變化反映了陽極上 產(chǎn)電微生物數(shù)量和活性的變化。以無介體產(chǎn)電微生 物為

18、例,微生物將陽極作為電子受體,其分解有機(jī)物 產(chǎn)生的電子通過細(xì)胞色素或纖毛直接傳遞到陽極, 從而利用這一過程中電子釋放的能量作為自身生長(zhǎng) 的需要。因此 ,陽極電勢(shì)越高、微生物獲得的能量越 多, 則生長(zhǎng)越快。黃霞等 24 的試驗(yàn)結(jié)果表明, 陽極電位越低 , 其 上附著的生物量越高。當(dāng)表面電位較高時(shí)微生物的 附著速度反而變慢 ,這說明微生物在電極上的附著 生長(zhǎng)并非主要依靠靜電的吸引作用。由于產(chǎn)電微生 物正常生活環(huán)境的電勢(shì)為 -300 -400 mV, 因此 較低的表面電位更有利于產(chǎn)電微生物的附著和生 長(zhǎng)。研究表明, 陽極的表面電位與膜生物量的相關(guān) 性較好,過高或過低的陽極電位都會(huì)對(duì)掛膜量產(chǎn)生 不利影

19、響 ,但對(duì)電位具體的高低和生物量的大小目 前并沒有定量的認(rèn)識(shí)。研究者 24 往往通過附加電 路設(shè)置不同的陽極初始電勢(shì)觀察掛膜情況和產(chǎn)電情 況來尋找合理的陽極電位。值得注意的是, 不同環(huán) 境中存在的混菌群落大不一樣, 而每種菌對(duì)電位的 要求也不相同 ,這之間并無一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。3.3 底物L(fēng)ogan發(fā)現(xiàn)較低的葡萄糖濃度與 MFC的最大電 壓呈線性關(guān)系 ,這符合微生物生長(zhǎng)與所需能量之間 的 Monod關(guān)系,即 :U=UmaxS/(Ks+S), 其中 U為微· 11·第 26卷 第 2期 中國(guó)給水排水 生物比增長(zhǎng)速度, Umax為微生物最大比增長(zhǎng)速度 , S 為基質(zhì)濃度 , Ks為

20、飽和常數(shù)。不同底物培養(yǎng)的 MFC中優(yōu)勢(shì)微生物種屬各不 相同, 大多數(shù)情況下為革蘭氏陰性菌 9、12 。孫寓姣 等 13 采用不同容積負(fù)荷的底物, 發(fā)現(xiàn)一些優(yōu)勢(shì)菌為 高 G+C革蘭氏陽性細(xì)菌和 -proteobacteria類細(xì) 菌 (主要是 Klebsielaoxytoca),推斷這些可能是產(chǎn)電 輔助細(xì)菌。值得注意的是,利用不同底物培養(yǎng)的混菌 ,其占 生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌未必是真正的產(chǎn)電細(xì)菌, 而含量較 大的細(xì)菌則可能是一些發(fā)酵、產(chǎn)酸細(xì)菌等 ,主要對(duì)進(jìn) 水中的有機(jī)物起到初步降解作用, 為真正產(chǎn)電細(xì)菌提供合適的前提物質(zhì) , 對(duì)產(chǎn)電具有間接的輔助作用 13 。3.4 其他 陰極系統(tǒng) MFC陰極的主要功能

21、是在催化劑的作用下將電子傳遞給電子受體完成還原半反應(yīng)。陰極材料的 吸氧電位越高則越有利于電能的獲得。而金屬作為 催化劑的好處在于易結(jié)合氧氣和捕捉電子 , 并在電 極表面加速催化反應(yīng)的發(fā)生。探索具有高活性的催 化劑(如 Pt、Pt-Ru、氧化錳、二氧化錫等 ), 通過噴涂 或采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)使其附著在陰極上, 使陰極反 應(yīng)的活化能降低 ,從而減小電化學(xué)活化電阻 25 。由于陰極室必須克服氧氣在水中還原動(dòng)力低及 水溶性差的缺點(diǎn) ,以及陰極可溶性反應(yīng)物傳質(zhì)受限 的問題 ,研究者們開發(fā)出“二合一”型和 “三合一 ”型 MFC26、27 。 “二合一 ”型省略了陰極室 ,陰極和質(zhì)子 膜壓合在一起,陽極獨(dú)

22、立, 氧氣作為電子受體其傳質(zhì) 阻力大大小于兩室型 MFC,同時(shí)減小了質(zhì)子在陰極 室內(nèi)的傳遞阻力 ,對(duì)陽極上產(chǎn)電微生物的影響也較 小。 “三合一 ”型是將陽極、質(zhì)子膜和陰極依次壓合 在一起 ,使陽極和陰極之間的距離大幅度減小 ,其電 阻最小 ,但由于陰極和陽極的距離過小,氧氣的滲透 問題亟待解決。 離子濃度通常以城市生活污水接種的 MFC, 在不投加營(yíng) 養(yǎng)鹽及磷酸鹽緩沖溶液的情況下,可以獲得電能,但 產(chǎn)電效果不理想。投加營(yíng)養(yǎng)鹽后, 產(chǎn)電性能有較大 提高, 外電路負(fù)載兩端最高電壓為 228.2 mV,功率 密度為 35.2 mV/m2 , 庫(kù)侖效率可達(dá) 60.6% 28 。在 陽極液中 , 氯化鈉

23、投量為 0.3 mol/L時(shí)電池的效能最高 ;同時(shí)用不同濃度的磷酸氫鈉和磷酸氫二鈉緩 沖溶液考察陰極離子強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)電的影響 ,發(fā)現(xiàn)緩沖 液的揮發(fā)會(huì)引起負(fù)載電壓升高。因此 ,離子濃度的 增加可以提高陽極和陰極中電子的傳導(dǎo)效率, 降低 整個(gè)電池系統(tǒng)的內(nèi)阻。但離子濃度也不能過量, 以 免抑制陽極生物膜的正常新陳代謝。此外 ,陰、陽極室溶液的 pH、質(zhì)子交換膜性質(zhì)、 曝氣速率、水力負(fù)荷、外電路電阻及溫度等也是決定 MFC產(chǎn)電效能的參數(shù), 同樣也會(huì)影響混菌 MFC的 電能輸出。4 混菌 MFC存在的問題及展望4.1 混菌 MFC存在的問題理論上, MFC的能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá) 90%, 而 實(shí)際應(yīng)用混菌 M

24、FC時(shí)其效能一般。分析其原因主 要有以下幾個(gè)方面 : 氧氣向陽極室的擴(kuò)散 ,使得部分有機(jī)質(zhì)在 陽極室內(nèi)直接將電子傳遞給氧氣 , 使厭氧微生物的 生長(zhǎng)受到抑制 ; 污水中通常含有替代性電子受體 (如硝酸 鹽、硫酸鹽和鐵鹽等), 部分有機(jī)質(zhì)在陽極室內(nèi)直接 將電子傳遞給了這些替代性電子受體; 混菌之間的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)機(jī)制, 雖然起決定性 作用的是產(chǎn)電效率高的菌種, 但同時(shí)選擇多種高效 率細(xì)菌可能會(huì)造成相互間爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或其他代謝 產(chǎn)物 ,產(chǎn)生拮抗作用 ,所以混菌接種時(shí)不同高效產(chǎn)電 菌不宜過多; 陽極上產(chǎn)電微生物的馴化不易控制, 并在 產(chǎn)電過程中伴隨著生物膜的成熟、脫落與再生,輸出 功率難以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定;

25、 目前陽極主要為平板式和填料式兩種, 前 者的缺點(diǎn)是增大陽極面積必須增加反應(yīng)器容積, 不 利于電池的微型化開發(fā);而后者雖能增大微生物附 著的表面積,但就單位表面的微生物產(chǎn)電來看,兩者 的產(chǎn)電性能并沒有顯著的差異。4.2 展望 陽極材料的研究 除了試圖增大微生物的附著面積、提高附著量外, 還應(yīng)通過在電極表面進(jìn)行金屬納米粒子以及碳 納米管等物質(zhì)的負(fù)載,利用納米材料的尺寸效應(yīng)、表 面效應(yīng)等特性來實(shí)現(xiàn)生物膜的附著和直接快速的電 子傳遞。提高陽極性能的另一個(gè)關(guān)鍵是接收到數(shù)量 更多、更穩(wěn)定的胞外電子 ,因此能提供更多與細(xì)菌個(gè)· 12·謝 晴, 等:基于混菌產(chǎn)電微生物燃料電池的最新研究進(jìn)

26、展 第 26卷 第 2期體匹配的空位也是今后陽極材料選擇與研究的方 向。 掛膜方法的研究 對(duì)掛膜方法的研究主要側(cè)重于如何縮短產(chǎn)電微生物的馴化時(shí)間、增加膜量以及降低內(nèi)阻等方面,這 是 MFC實(shí)用化過程中必須解決的問題。同時(shí), 研究 混菌共生膜環(huán)境中各種微生物的最適生態(tài)位 , 將有 利于菌種的選擇和培養(yǎng)。 產(chǎn)電微生物的研究 隨著電子傳遞距離的增大, 電子傳遞速率呈指數(shù)下降趨勢(shì)。酶分子蛋白質(zhì)的外殼對(duì)從活性中心到 電極的直接電子傳遞產(chǎn)生了屏蔽作用, 引入介體在 一定程度上可提供有效的電子傳遞通道。然而 ,這 樣又增大了電子傳遞的距離 ,其總體效果還不能令 人滿意。因此,對(duì)高活性微生物的篩選,特別是尋找

27、 自身可產(chǎn)生氧化還原介體的微生物以及具有膜結(jié)合 電子傳遞化合物的微生物, 是未來 MFC研究的重 點(diǎn)。同時(shí)微生物對(duì)新環(huán)境的不適應(yīng)常常是陽極極化 的原因之一。因此, 需進(jìn)一步深入研究不同電流下 電極表面與細(xì)菌表面的微觀結(jié)構(gòu)變化, 并開展連續(xù) 式無介體微生物燃料電池的研究。 質(zhì)子交換膜的研究 目前最常見的質(zhì)子交換膜是 Nafion膜 , 但是該膜或由該膜制作的膜電極并不能完全阻止氧氣因擴(kuò) 散引起的穿透現(xiàn)象, 這種氧穿透會(huì)抑制陽極生物膜 的生長(zhǎng)。因此未來需要進(jìn)一步開發(fā)氣體滲透性比 Nafion膜更低的新型質(zhì)子交換膜。 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)的研究 應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu),提高混菌 MFC的整體效能;

28、利用微生物固定化技術(shù)、重金屬負(fù)載技術(shù) 等改善其結(jié)構(gòu)和性能;進(jìn)一步探明不同環(huán)境條件和 運(yùn)行工況下 ,微生物的代謝途徑和生物多樣性 ;在運(yùn) 行參數(shù)對(duì) MFC產(chǎn)電效率的影響、構(gòu)建 MFC的反應(yīng) 動(dòng)力學(xué)模型等方面均需開展深入工作。參考文獻(xiàn): 1 黃霞, 梁鵬, 曹效鑫, 等.無介體微生物燃料電池的研 究進(jìn)展 J .中國(guó)給水排水, 2007, 23(4):1 -6. 2 孫建, 胡勇有.廢水處理新理念 微生物燃料電池 技術(shù)研究進(jìn)展 J .工業(yè)用水與廢水, 2008, 29(1):1-6. 3 RabaeyK, VerstraeteW.Microbialfuelcels:anovelbi-otechnol

29、ogyforenergygeneration J .TrendsBiotechn-ol, 2005, 23(16):291 -298. 4 RabaeyK, BoonN, HofteM, etal.Microbicalphenazine productionenhanceselectrontransferinbiofuelcels J .EnviornSciTechnol, 2005, 39(9):3402 -3408. 5 GorbyY A, YaninaS, McleanJS, etal.Electrically conductivebacterialnanowiresproducedby

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