微生物燃料电池中底物的研究进展

微生物燃料电池中底物的研究进展刘晶晶1，2，孙永明2，孔晓英2，李连华2，李颖2，田沈1，杨秀山1，袁振宏2*（1.首都师范大学，北京100048；2.中国科学院广州能源研究所，广东广州510640）摘要：微生物燃料电池是一种利用可溶性有机废物和可再生生物质等原料萃取电能的装置，而底物作为能量转化的能源物质，是影响微生物燃料电池产电能力的重要因素之一。能够充当底物的有机质种类十分丰富，如多种低浓度有机废水和纤维素等，底物的种类不同，电池的产电能力也会存在差异。因此，有必要对这一系统中底物对电池产电性能及其他方面的影响进行更加深入的了解。文章详细阐述了底物的化学能转化为电能的几种途径，重点介绍了不同种底物的生物化学特性、主要富集的微生物类别及产电性能，分析了底物的种类和浓度对电能转化的影响，提出了微生物燃料电池存在的问题和工作方向，为提高电池的电能产量提供了思路。关键词：微生物燃料电池；底物；功率密度；污水处理中图分类号：X172文献标志码：A文章编号：1003-6504(2011)06-0104-05微生物燃料电池（MFC）是一种新型的生物化学催化装置，它利用微生物代替了阳极的金属催化剂，通过微生物自身代谢，实现了有机物的降解和电子的转移，使化学能直接转化为电能[1-2]。MFC具有能量转化效率高、安全无污染等优点，在能源短缺的今天，受到了广泛的关注。随着对MFC兴趣的不断提高，与之相应的研究也不断深入。对MFC的研究开始于1910年，英国植物学家Pouer把酵母和大肠杆菌放入含有葡萄糖的培养基中进行培养而获得了电压[3]，20世纪80年代，电子传递中间体成为研究的热点，这类介体的广泛应用，使MFC的输出功率有了很大提高，90年代后，随着研究的进行，不通过介体而能够进行电子传递的微生物被发现，就此开始了对无介体MFC的研究[4]。在无介体MFC中，底物作为能量转化的来源，它的类型和利用效率影响着微生物的群落结构及生长速度，这就使之成为了决定产电效率高低的重要因素之一，因此底物分析对提高微生物燃料电池产电能力具有重要意义。1底物化学能的转化贮存在有机物中的能量通过一系列脱氢反应被传递。自有机物脱下的氢最终可与分子氧、有机物或无机物等氢受体相结合，将释放出的能量转化为电能。有机物的氧化放能主要通过两条途径完成，即微生物的呼吸和发酵。在有氧呼吸的作用下，底物被氧化，释放出的电子经过完整的电子传递系统，传递给最终外源电子受体———分子氧，从而生成水并释放出能量，有氧呼吸是获得能量最多的一条途径。无氧呼吸是无氧条件下，释放出的电子经过部分电子传递系统，最终的电子受体不是氧分子，而是氧化态的无机物或有机物。由于无氧呼吸所经过的电子传递系统要比有氧呼吸的短，因此获得的能量也比较少。在缺少外源电子受体时，许多微生物会以发酵的形式降解底物，在这一过程中，电子载体将释放出的电子直接传递给底物降解后的内源性中间产物，如丙酮酸、乳酸等，由于作为电子受体的中间产物是分解不彻底的有机物，获得的能量也低于有氧呼吸[5]。目前为止，微生物传递电子的形式大致分为两种：直接进行电子传递和利用介体进行电子传递，如图1。在直接的电子传递中，某些细菌如ShewanellaoneidensisMR-1[6]和Geobactersulfurreducens[6-7]能够利用细胞色素C将CoQH2解离下来的电子从细胞内传递到电极上，或是利用菌毛将细胞内的电子传递给外界电子受体。通过此种方式，底物氧化所释放出的全部电子都可以被阳极所捕获，获得最大的库伦效率。但是高分子的底物大多不能被直接进行电子传递的产电菌所利用，而需要被转化成低分子的有机酸或醇，降低了底物化学能的转化效率[8]。在不提供外源介体的情况下，电子还可以通过底物分解产生的小分子物质传递到阳极表面。通常在阳极表面形成生物膜后，外层的微生物无法与阳极相接触，就很难利用细胞色素C或菌毛传递电子，这时底物的某些代谢产物就会作为还原剂完成阳极的氧化。这些介体主要由初级代谢产物和次级代谢产物构成。在初级代谢中，介体的产生依靠无氧呼吸和发酵两条然而底物不能被彻底降解、硫酸盐还原菌只能利用小分子有机物等成为限制其化学能转化的因素。在发酵过程中，被降解的还原性代谢产物可以作为介体将电子传递到阳极。由于微生物发酵的类型多样，其充当介体的代谢产物也不相同，如乳酸、乙酸、甲酸、乙醇和氢气等[5]。次级代谢产物也可作为低分子的末端电子受体将细胞内的电子传递到阳极表面，而且这种介体具有可逆性，在传递同时被再次氧化，进入下一轮氧化还原反应[9]。现已证明的在MFC中具有电子传递功能的次级代谢产物有绿脓菌素、吩嗪-1-酰胺等[10]。2底物的种类目前，已经有相当多种类的有机物被应用到MFC中，如糖类、醇类、氨基酸、蛋白质和脂肪酸等均可以作为底物为MFC提供电能，如表1。2.1乙酸盐乙酸盐是厌氧环境中含量最为丰富的脂肪酸，它可以作为电子供体被厌氧微生物利用[11]，并且是其中一些代谢途径的终产物，如ED途径。由于乙酸盐在室温下对于其他微生物转化具有不活泼性，使它成为了研究MFC构造、操作条件和设计反应器等最常用的底物。能够氧化乙酸盐的厌氧微生物多数为产甲烷细菌（methanogens）和硫化细菌（thiobacillus），以及金属还原菌（metal-reducingbac－terium）中的地杆菌属（Geobacter）[12]，在此种底物培养MFC的微生物群落中，又以地杆菌（Geobactersul－furreducens）为最主要微生物[13]。Borol等通过使用流动阳极，以乙酸盐作为底物，使MFC的功率密度达到了3650mW/m2，库伦效率达到了（88±5.7)%[14]。Chae等比较了分别以乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐和葡萄糖为底物的MFC的产电性能，结果表明乙酸盐培养MFC的库伦效率（72.3%）明显高于其他几种底物的电池（分别为36.0%、43.0%和15.0%）[15]。2.2葡萄糖葡萄糖也是最常用的底物之一，它的优点在于MFC中产电微生物群落的多样性，这些不同种微生物降解葡萄糖所产生的副产物种类也相当丰富，副产物又可作为底物被相应的微生物利用，从而使电池具有非常高的功率密度[15]。但是由于葡萄糖属于发酵型底物，一部分能量用作了微生物自身的生长，库伦效率就相应的降低了很多[9]。厚壁菌门（Firmicutes）在葡萄糖转化中起着重要的作用[16]，其他主要的微生物还有气单胞菌属（Aeromonas）等γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）的微生物。Cheng等制作的连续添加葡萄糖的两室MFC，可以实现的最大功率密度为1540W/m2，库伦效率为60%[17]。在Chung和Okabe设计的三MFC的串联装置中，以葡萄糖为底物的第一个MFC能够保持相对较高的功率密度长达150天以上而没有衰退的迹象[18]。2.3纤维素纤维素是自然界存在最多的一类可再生资源，它是以纤维二糖为单位形成的线性葡聚糖链，通过化学、生物等方法的水解作用，可以转化为葡萄糖分子。但是对利用纤维素为原料产电的MFC研究还比较少，因为纤维素必须要先被水解成可溶性底物才能够使MFC产电。之前的研究一般是通过加入水解酶或能够水解纤维素与具有电化学活性的菌种共培养的方法进行产电的。Ren等用解纤维梭菌（Clostridiumcellulolyticum）与产电菌硫还原地杆菌（Geobactersulfurreducens）共培养，以羧甲基纤维素为底物得到的功率密度为143mW/m2，以MN301型纤维素为底物得到的功率密度为59.2mW/m2[19]。另一关于纤维素培养MFC的研究是以梭状芽胞杆菌（Clostridiumspp.）与丛毛单胞菌科（Comamonadaceae）为主要微生物进行培养，其最大功率密度达到55mW/m2[20]。Rezaei等人设计的U形管纤维素培养MFC中，首次发现了纤维素降解同步产电的菌种阴沟肠杆菌（Enterobactercloacae），分离出的菌种FR可以产生（4.9±0.01）mW/m2的功率密度[21]。2.4乙醇乙醇是新型的经济能源，具有毒性低，持续性好，容易从含糖原料中获得等优点，在好氧条件下很容易被降解，氧化后生成乙醛或CO2和H2O。乙醇作为底物已经应用于酶燃料电池中，但对于微生物燃料电池，还需要更深入的研究。之前的研究表明，很多不同种的微生物都可以把硝酸盐或硫酸盐作为最终受体来降解乙醇，如自养脱硫杆菌（Desul－fobacteriumautotrophicum）[22]、不动杆菌（Acinetobac－ter）[23]、蛋白质菌Core-1（Proteobacterium）[24]等。还有几种地杆菌属（Geobacter）微生物在还原铁的同时可以氧化醇类[25]。在Kim等的实验中，两室乙醇培养MFC的功率密度达到了（488±12）mW/m2，库伦效率为10%[24]。2.5半胱氨酸半胱氨酸是一种化学脱氧剂，常用它来保持厌氧环境。在MFC中使用的质子交换膜在保证较高的质子传导的同时，也会导致阴极氧气向阳极的渗透[26]。氧气进入缺氧状态下的阳极后增加了还原电势，从而使细胞呼吸暂停，能量转化率降低。而半胱氨酸能够与氧反应，生成聚合物，同时还可作为MFC的底物。Logan等制作的半胱氨酸培养MFC中富集的主要微生物为希瓦氏菌（Shewanella），输出功率可达到39mW/m2，此外大肠埃希菌（Escherichiacoli）也可将半胱氨酸降解为丙酮酸[27]。2.6其他底物2.6.1简单底物丁酸盐作为发酵的最终产物也可以用来产生电能。最大的功率密度可达349mW/m2，库伦效率达8%~15%，但是能量转化效率明显低于乙酸盐[28]。与葡萄糖相似的，乳酸可通过多种途径的发酵，分解成乙酸盐、乙醇等多种电子受体，且在Jung和Regan的研究中，乳酸培养MFC的最大功率密度和最大电流密度的平均值高于乙酸盐和葡萄糖[16]。高分子碳水化合物淀粉能够被酪酸梭菌（Clostridiumbutyricum）和拜氏梭菌（Clostridiumbeijerinckii）利用，电流密度分别为1和1.3mA/cm2[29]。无机物也可作为MFC的底物，如硫化物氧化成硫的同时产电，功率密度为39mW/L，硫化物的去除率高达98%[30]；以苯酚为单一底物进行的化学能转化，在60h内苯酚的降解效率可达到95%以上[31]，这使MFC不仅可以应用于电能的产生，还可应用于有毒污染物的生物降解。2.6.2复杂底物目前废水作为底物受到了广泛的关注。生产和生活污水中含有大量的有机物，如淀粉、糖类、脂肪和蛋白质等，可以作为MFC的燃料，而其中的污染物可以同时被降解。生活污水主要是粪便和洗涤用水，总的特点是含氮、含硫和含磷高，容易造成水体的富营养化。Liu等设计的单室微生物燃料电池（SCMFC）反应器以生活污水为底物最大可产生26mW/m2的功率，化学需氧量（COD）的去除率达到80%[32]；Ahn和Logan的研究在细菌的嗜温状态下，MFC最高的功率密度为422mW/m2，但COD的去除率较低，为25.8%[33]。酒厂废水主要来自冷却和洗涤用水，具有很高的COD，但氨氮等抑制物的含量很低，很适合作为MFC的底物。Feng等的研究显示，加入200mmol/L磷酸缓冲液后，酒厂废水培养MFC的最大功率密度可达528mW/m2，但在相似的COD浓度范围内，酒厂废水培养MFC的最大功率密度低于生活废水培养MFC[34]。造纸厂废水中含有纤维素和一些可溶性有机物，使用传统的污水处理方法不容易被降解，Huang和Logan通过MFC同步生物降解产电的方法，在加入100mmol/L磷酸缓冲液后，功率密度达到（672±27）mW/m2，溶解性化学需氧量（SCOD）为（73±1）%，说明了可溶性有机物的去除效果显著，纤维素几乎被全部去除，达到了（96±1）%[35]。从染料厂排出的废水中含有偶氮染料，是化学合成染料的一种，由于它具有明显的颜