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————利用微生物催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置14生物科学2班马宇昂张智勇周煜博catalogue•基本原理（Rationale）•微生物燃料电池独特优势•物质解析与介体分类•构造体系•直接微生物燃料电池的实例•直接微生物燃料电池发展方向•试研究与应用•结语基本原理•在阳极室(负极)厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极(正极)，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。大多数微生物燃料电池只在阳极使用微生物催化剂,因此微生物燃料电池的研究工作也多是针对电池阳极区。阴极阳极阴极阳极其他燃料电池不具备的若干特点•原料广泛可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等。•操作条件温和一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作。这使得电池维护成本低、安全性强。•生物相容性利用人体内葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体,作为心脏起搏器等人造器官的电源。物质解析•电子传递方式•直接的微生物燃料电池指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应;•间接的微生物燃料电池间接微生物燃料电池的燃料不在电极上氧化，燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过某种途径转移(氧化还原介体传递)到电极上。间接生物燃料电池工作原理直接微生物燃料电池工作原理电子传递中间体分类•由于大部分微生物不具有电化学活性，电子无法直接从微生物到达电极，所以很多微生物燃料电池都需要电子传递中间体的参与，即构成间接微生物燃料电池。1、人工合成的介体，主要是一些染料类的物质硫堇、AQDS和中性红等；2、某些微生物自身可以合成介体。电子传递中间体(介体)间接微生物燃料电池局限性•电子传递的距离大，电子传递通道效率低电子传•递中间体有毒且易分解，使用介体的间接型电池占主导地位。•近年来，国外陆续发现几种特殊的细菌，可在无电子传递中间体存在的条件下，将电子直接传递给电极产生电，构成直接微生物燃料电池。•解决了需电子介体微生物燃料电池的高运行成本问题，同时也保证了功率密度的高效输出直接(无介体)微生物燃料电池未解决的问题•微生物与电极间的电能输出原理1胞外电子传递机制吸附在电极上的细菌悬浮在溶液中的细菌直接微生物燃料电池(两室)构造体系•微生物燃料电池由有机玻璃材料制成，阴阳两极室体积为120mL，极室的尺寸为63mm×63mm×30mm.电池由4块有机玻璃板通过螺栓穿接固定而成。图片直接微生物燃料电池结构示意图Fig.Directmicrobialfuelcellassembly双室微生物燃料电池装置示意图Schematicdiagramofthedual-chamberMFCs直接微生物燃料电池的实例•腐败希瓦菌(Shewanellaputrefaciens)•一种还原铁细菌，在提供乳酸盐或氢之后，无需氧化还原介质就能产生电。•实验研究：以腐败希瓦菌等为催化剂，乳酸盐为燃料组装微生物燃料电池。研究发现不用氧化还原介体，直接加入燃料后，几个电池的电势都有明显提高。机理：位于细胞外膜的细胞色素具有良好的氧化还原性能。可在电子传递的过程中起到介体的作用，且它本身就是细胞膜的一部分，不存在氧化还原介质对细胞膜的渗透问题，从而可以设计出无介体的高性能微生物燃料电池。其他的一些直接微生物燃料电池•Rhodoferaxferrireducens燃料电池——将糖类代谢能转化为电能•Geobacteraceaesulferreducens燃料电池直接微生物燃料电池发展方向•(1)目前大多数直接微生物燃料电池由单一菌种构建。要达到普遍应用的目的，急需发现能够使用广泛有机物作为电子供体的高活性微生物。今后的研究将继续致力于发现和选择这种高活性微生物。以发酵废水（如淀粉厂出水）为燃料建立微生物燃料电池，试分离所需菌种。发展方向•(２)在电池的构造方面：现有微生物燃料电池一般有阴阳两个极室，中间由质子交换膜隔开。这种结构不利于电池的放大。单室设计的微生物燃料电池将质子交换膜缠绕于阴极棒上，置于阳极室，这种结构有利于电池的放大，已用于大规模处理污水发展方向•(3)电能的输出很大程度上受到阴极反应的影响。低电量输出往往由于1阴极微弱的氧气还原反应2氧气通过质子交换膜扩散至阳极。氧气扩散到阳极会严重影响兼性厌氧菌,减小电量，因为这类菌很可能不再以电极为电子受体而以氧气作最终电子受体。阴阳极材料的选择继续是微生物燃料电池研究的重点之一。发展方向•(4)质子交换膜问题质子交换膜对于维持微生物燃料电池电极两端pH值的平衡、电极反应的正常进行都起到重要的作用。通常情况，质子交换膜微弱的质子传递能力改变了阴阳极的pH值，从而减弱了微生物活性和电子传递能力，并且阴极质子供给的限制影响了氧气的还原反应。质子交换膜的好坏和性质的革新直接关系到微生物燃料电池的工作效率、产电能力等。•目前所用的质子交换膜成本过高，不利于实现工业化。有人用盐桥代替质子交换膜进行试验，但效果不佳。所以今后将设法提高质子交换膜的穿透性以及建立非间隔化的生物电池。发展方向•(5)阳极电极材料的改进以及表面积的提高①阳极直接参与微生物催化的燃料氧化反应②而且吸附在电极上的那部分微生物对产电量起主要作用有利于更多的微生物吸附到电极上。例：通过把电极材料换成多孔性的物质，如石墨毡、泡沫状物质、活性炭等，或者在阳极上加入聚阴离子或铁、锰元素，都能使电池更高效地进行工作。•21世纪初，微生物燃料电池的研究重点是功率输出的提高，经过十年左右的研究工作，其功率密度输出提高了100多倍。近年来，研究重心更偏向于微生物燃料电池的应用化研究。试研究与应用•MFC的放大——工业应用的一个必经之路微生物、材料、技术以及经济等方面，给MFC实际应用带来了诸多困难。•主要因素包括：①电池功率密度较低，离实际应用相差较远：目前质子交换膜燃料电池的功率密度可达3W/cm2,而生物燃料电池的功率密度还达不到1mW/cm2,可见两者差距之大；②电极材料，特别是铂价格昂贵；③微生物燃料电池长期运行容易造成电极和膜的污染，运行成本高和操作难度大。电池的功率会随着单电池体积的增大而增大，电池的功率密度却是随着体积的增大而减小。这种规律决定了微生物燃料电池的放大应该是将多个相同的单电池有机地组合起来。•在中试研究方面，昆士兰大学Keller、Rabaey与福斯特（Foster）啤酒厂合作，建成了世界上第一个中试规模的MFC（图6），该MFC为单室，由12个模块构成，每个高3m，总容积大约1m3，其中阳极采用碳纤维刷，阴极采用石墨纤维刷，阳极置于装置的内部，阴极包裹于装置的外部，利用啤酒废水发电，可承受的有机负荷为10gCOD/(L·d)。在国内，中国海洋大学的付玉彬等构建了海洋沉积物微生物燃料电池，利用串并联升压的方式，在胶州湾浅海成功驱动小型电子装置的运行。•试应用方面，利用微生物燃料电池处理废水可以实现废水到电能的一步转化，在处理废水的同时使废水资源化。•废水中有机物是否可生化降解是MFC处理废水的关键，因为其直接影响着能量的转换。应用——废水处理应用——微生物电合成•使阳极释放的能量能够以化学品的形式在阴极储存。目前，在微生物电合成方面，所产物质主要包括H2、H2O2以及低分子有机物。微生物传感器微生物燃料电池的电流（电压）或电子库仑量与电子供体的含量之间存在对应关系，因此微生物燃料电池能用于某些底物含量的测定，其中用于废水中BOD(生化需氧量)测定的研究最为成熟，对MFC应用领域的扩大具有重要意义。生物燃料电池的研究仍处于起步阶段,如何充分将其诸多优势为人类所用,提高微生物转化效率和输出功率密度,满足轻便、高效、长寿命的需微要,仍需不断地努力,继续研究。最后の话尽管生物燃料电池经数十年研究仍距实用遥远，燃料电池研究从上世纪90年代初又成为热门领域，现在仍在升温阶段。几种燃料电池已经处在商业化的前夕。另外，近20年来生物技术的巨大发展，为生物燃料电池研究提供了巨大的物质、知识和技术储备。所以，生物燃料电池有望在不远的将来取得重要进展。