微生物燃料電池

微生物燃料電池(MFCs)提供了從可生物降解的、還原的化合物中維持能量產(chǎn)生的新機會。MFCs可以利用不同的碳水化合物，同時也可以利用廢水中含有的各種復雜物質(zhì)。關(guān)于它所涉及的能量代謝過程，以及細菌利用陽極作為電子受體的本質(zhì)，目前都只有極其有限的信息;還沒有建立關(guān)于其中電子傳遞機制的清晰理論。倘若要優(yōu)化并完整的發(fā)展MFCs的產(chǎn)能理論，這些知識都是必須的。依據(jù)MFC工作的參數(shù)，細菌使用著不同的代謝通路。這也決定了如何選擇特定的微生物及其對應(yīng)的不同的性能。在此，我們將討論細菌是如何使用陽極作為電子傳遞的受體，以及它們產(chǎn)能輸出的能力。對MFC技術(shù)的評價是在與目前其它的產(chǎn)能途徑比較下作出的。

微生物燃料電池并不是新興的東西，利用微生物作為電池中的催化劑這一概念從上個世紀70年代就已存在，并且使用微生物燃料電池處理家庭污水的設(shè)想也于1991年實現(xiàn)。但是，經(jīng)過提升能量輸出的微生物燃料電池則是新生的，為這一事物的實際應(yīng)用提供了可能的機會。

MFCs將可以被生物降解的物質(zhì)中可利用的能量直接轉(zhuǎn)化成為電能。要達到這一目的，只需要使細菌從利用它的天然電子傳遞受體，例如氧或者氮，轉(zhuǎn)化為利用不溶性的受體，比如MFC的陽極。這一轉(zhuǎn)換可以通過使用膜聯(lián)組分或者可溶性電子穿梭體來實現(xiàn)。然后電子經(jīng)由一個電阻器流向陰極，在那里電子受體被還原。與厭氧性消化作用相比，MFC能產(chǎn)生電流，并且生成了以二氧化碳為主的廢氣。

與現(xiàn)有的其它利用有機物產(chǎn)能的技術(shù)相比，MFCs具有操作上和功能上的優(yōu)勢。首先它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，保證了具有高的能量轉(zhuǎn)化效率。其次，不同于現(xiàn)有的所有生物能處理，MFCs在常溫，甚至是低溫的環(huán)境條件下都能夠有效運作。第三，MFC不需要進行廢氣處理，因為它所產(chǎn)生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量輸入，因為僅需通風就可以被動的補充陰極氣體。第五，在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，MFCs具有廣泛應(yīng)用的潛力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性。

為了衡量細菌的發(fā)電能力，控制微生物電子和質(zhì)子流的代謝途徑必須要確定下來。除去底物的影響之外，電池陽極的勢能也將決定細菌的代謝。增加MFC的電流會降低陽極電勢，導致細菌將電子傳遞給更具還原性的復合物。因此陽極電勢將決定細菌最終電子穿梭的氧化還原電勢，同時也決定了代謝的類型。根據(jù)陽極勢能的不同能夠區(qū)分一些不同的代謝途徑:高氧化還原氧化代謝，中氧化還原到低氧化還原的代謝，以及發(fā)酵。因此，目前報道過的MFCs中的生物從好氧型、兼性厭氧型到嚴格厭氧型的都有分布。

在高陽極電勢的情況下，細菌在氧化代謝時能夠使用呼吸鏈。電子及其相伴隨的質(zhì)子傳遞需要通過NADH脫氫酶、泛醌、輔酶Q或細胞色素。Kim等研究了這條通路的利用情況。他們觀察到MFC中電流的產(chǎn)生能夠被多種電子呼吸鏈的抑制劑所阻斷。在他們所使用的MFC中，電子傳遞系統(tǒng)利用NADH脫氫酶，F(xiàn)e/S(鐵/硫)蛋白以及醌作為電子載體，而不使用電子傳遞鏈的2號位點或者末端氧化酶。通常觀察到，在MFCs的傳遞過程中需要利用氧化磷酸化作用，導致其能量轉(zhuǎn)化效率高達65%。常見的實例包括假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)，微腸球菌(Enterococcus faecium)以及Rhodoferax ferrireducens。

如果存在其它可替代的電子受體，如硫酸鹽，會導致陽極電勢降低，電子則易于沉積在這些組分上。當使用厭氧淤泥作為接種體時，可以重復性的觀察到沼氣的產(chǎn)生，提示在這種情況下細菌并未使用陽極。如果沒有硫酸鹽、硝酸鹽或者其它電子受體的存在，如果陽極持續(xù)維持低電勢則發(fā)酵就成為此時的主要代謝過程。例如，在葡萄糖的發(fā)酵過程中，涉及到的可能的反應(yīng)是:C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2 或 6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它表明，從理論上說，六碳底物中最多有三分之一的電子能夠用來產(chǎn)生電流，而其它三分之二的電子則保存在產(chǎn)生的發(fā)酵產(chǎn)物中，如乙酸和丁酸鹽?？傠娮恿康娜种挥脕戆l(fā)電的原因在于氫化酶的性質(zhì)，它通常使用這些電子產(chǎn)生氫氣，氫化酶一般位于膜的表面以便于與膜外的可活動的電子穿梭體相接觸，或者直接接觸在電極上。同重復觀察到的現(xiàn)象一致，這一代謝類型也預示著高的乙酸和丁酸鹽的產(chǎn)生。一些已知的制造發(fā)酵產(chǎn)物的微生物分屬于以下幾類:梭菌屬(Clostridium)，產(chǎn)堿菌(Alcaligenes)，腸球菌(Enterococcus)，都已經(jīng)從MFCs中分離出來。此外，在獨立發(fā)酵實驗中，觀察到在無氧條件下MFC富集培養(yǎng)時，有豐富的氫氣產(chǎn)生，這一現(xiàn)象也進一步的支持和驗證這一通路。

發(fā)酵的產(chǎn)物，如乙酸，在低陽極電勢的情況下也能夠被諸如泥菌屬等厭氧菌氧化，它們能夠在MFC的環(huán)境中奪取乙酸中的電子。

代謝途徑的差異與已觀測到的氧化還原電勢的數(shù)據(jù)一起，為我們一窺微生物電動力學提供了一個深入的窗口。一個在外部電阻很低的情況下運轉(zhuǎn)的MFC，在剛開始在生物量積累時期只產(chǎn)生很低的電流，因此具有高的陽極電勢(即低的MFC電池電勢)。這是對于兼性好氧菌和厭氧菌的選擇的結(jié)果。經(jīng)過培養(yǎng)生長，它的代謝轉(zhuǎn)換率，體現(xiàn)為電流水平，將升高。所產(chǎn)生的這種適中的陽極電勢水平將有利于那些適應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物生長。然而此時，專性厭氧型微生物仍然會受到陽極倉內(nèi)存在的氧化電勢，同時也可能受到跨膜滲透過來的氧氣影響，而處于生長受抑的狀態(tài)。如果外部使用高電阻時，陽極電勢將會變低，甚至只維持微弱的電流水平。在那種情況下，將只能選擇適應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物以及專性厭氧微生物，使對細菌種類的選擇的可能性被局限了。

電子向電極的傳遞需要一個物理性的傳遞系統(tǒng)以完成電池外部的電子轉(zhuǎn)移。這一目的既可以通過使用可溶性的電子穿梭體，也可以通過膜結(jié)合的電子穿梭復合體。

氧化性的、膜結(jié)合的電子傳遞被認為是通過組成呼吸鏈的復合體完成的。已知細菌利用這一通路的例子有Geobacter metallireducens 、嗜水氣單胞菌(Aeromonas hydrophila)以及Rhodoferax ferrireducens。決定一個組分是否能發(fā)揮類似電子門控通道的主要要求在于，它的原子空間結(jié)構(gòu)相位的易接近性(即物理上能與電子供體和受體發(fā)生相互作用)。門控的勢能與陽極的高低關(guān)系則將決定實際上是否能夠使用這一門控(電子不能傳遞給一個更還原的電極)。

MFCs中鑒定出的許多發(fā)酵性的微生物都具有某一種氫化酶，例如布氏梭菌和微腸球菌。氫化酶可能直接參加了電子向電極的轉(zhuǎn)移過程。最近，這一關(guān)于電子傳遞方法的設(shè)想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必須結(jié)合可移動的氧化穿梭體。它們展示了氫化酶在還原細菌表面的中性紅的過程中扮演了某一角色。

細菌可以使用可溶性的組分將電子從一個細胞(內(nèi))的化合物轉(zhuǎn)移到電極的表面，同時伴隨著這一化合物的氧化。在很多研究中，都向反應(yīng)器中添加氧化型中間體比如中性紅，勞氏紫(thionin)和甲基紫蘿堿(viologen)。經(jīng)驗表明這些中間體的添加通常都是很關(guān)鍵的。但是，細菌也能夠自己制造這些氧化中間體，通過兩種途徑:通過制造有機的、可以被可逆的還原化合物(次級代謝物)，和通過制造可以被氧化的代謝中間物(初級代謝物)。

第一種途徑體現(xiàn)在很多種類的細菌中，例如腐敗謝瓦納拉菌(Shewanella putrefaciens)以及銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)。近期的研究表明這些微生物的代謝中間物影響著MFCs的性能，甚至普遍干擾了胞外電子的傳遞過程。失活銅綠假單胞菌的MFC中的這些與代謝中間體產(chǎn)生相關(guān)的基因，可以將產(chǎn)生的電流單獨降低到原來的二十分之一。由一種細菌制造的氧化型代謝中間體也能夠被其他種類的細菌在向電極傳遞電子的過程中所利用。

通過第二種途徑細菌能夠制造還原型的代謝中間體--但還是需要利用初級代謝中間物--使用代謝中間物如Ha或者HgS作為媒介。Schroder等利用E.coli K12產(chǎn)生氫氣，并將浸泡在生物反應(yīng)器中的由聚苯胺保護的鉑催化電極處進行再氧化。通過這種方法他們獲得了高達1.5mA/cm2(A，安培)的電流密度，這在之前是做不到。相似的，Straub和Schink發(fā)表了利用Sulfurospirillum deleyianum將硫還原至硫化物，然后再由鐵重氧化為氧化程度更高的中間物。

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。其基本工作原理是:在陽極室厭氧環(huán)境下，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，氧化劑(一般為氧氣)在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。

向微生物燃料電池中添加的介體主要有兩種:第一類是人工合成的介體，主要是一些染料類的物質(zhì)，如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等等。這些介體必須滿足一定的條件:

(1) 能穿透進入微生物的細胞內(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng);

(2) 非常容易得電子; (3) 在被還原之前能快速離開微生物細胞;

(4) 在陽極表面有很好的電化學活性;

(5) 穩(wěn)定性好;

(6) 在陽極電解液中是可溶的;

(7) 對微生物沒有毒性;

(8) 不會被微生物代謝掉。第二類是某些微生物自身可以合成介體，如Pseudomonas aeruginosastrainKRP1能夠合成綠膿菌素和吩嗪-1-甲酰胺等物質(zhì)，它合成的介體不光自己可以使用，其它的微生物也可以利用它產(chǎn)生的介體傳遞電子。

參與傳遞電子的介體與微生物和陽極之間的作用形式有三種:(1) 微生物將氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子直接傳遞給溶解在溶液中的介體，介體再將電子傳遞給電極;(2)介體能進入到微生物體內(nèi)，參加反應(yīng)被還原，從微生物體內(nèi)出來后再將電子傳遞給電極;(3) 微生物吸附在電極表面，它將反應(yīng)產(chǎn)生的電子傳遞給在細胞表面的介體，再通過介體傳遞給電極。

與現(xiàn)有的其它利用有機物產(chǎn)能的技術(shù)相比，微生物燃料電池具有操作上和功能上的優(yōu)勢: 首先，它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，保證了具有高的能量轉(zhuǎn)化效率; 其次，不同于現(xiàn)有的所有生物能處理，微生物燃料電池在常溫環(huán)境條件下能夠有效運作; 第三，微生物燃料電池不需要進行廢氣處理，因為它所產(chǎn)生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量; 第四，微生物燃料電池不需要輸入較大能量，因為若是單室微生物燃料電池僅需通風就可以被動的補充陰極氣體; 第五，在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，微生物燃料電池具有廣泛應(yīng)用的潛力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性。

污物驅(qū)動的應(yīng)用在于能夠顯著的移除廢棄的底物。目前，使用傳統(tǒng)的好氧處理時，氧化每千克碳水化合物就需要消耗1 kWh的能量。例如，生活污水的處理每立方米需要消耗0.5 kWh的能量，折算后在這一項上每人每年需要消耗的能源約為30 kWh。為了解決這一問題，需要開發(fā)一些技術(shù)，特別是針對高強度的廢水。在這一領(lǐng)域中常用的是Upflow Anaerobic Sludge Blanket反應(yīng)器，它產(chǎn)生沼氣，特別是在處理濃縮的工業(yè)廢水時。UASB反應(yīng)器通常以每立方米反應(yīng)器每天10~20 kg化學需氧量的負荷速率處理高度可降解性的廢水，并且具有(帶有一個燃燒引擎作為轉(zhuǎn)換器)35%的總電力效率，意味著反應(yīng)器功率輸出為0.5~1 kW/m3。它的效率主要決定于燃燒沼氣時損失的能量。未來如果發(fā)展了比現(xiàn)有的能更有效的氧化沼氣的化學染料電池的話，很可能能夠獲得更高的效率。

能夠轉(zhuǎn)化具有積極市場價值的某種定性底物的電池，譬如葡萄糖，將以具有高能量效率作為首要目標。雖然MFCs的功率密度與諸如甲醇驅(qū)動的FCs相比是相當?shù)偷模菍τ谶@項技術(shù)而言，以底物安全性為代表的多功能性是它的一個重要優(yōu)勢。

全面的看，作為一種參考，以高速率的厭氧消化手段從生物量中重獲能量的資本支出約為安裝每百萬瓦生產(chǎn)量花費100萬瓦。后一數(shù)值也同樣適用于通過傳統(tǒng)的燃燒途徑、風力渦輪機以及化學染料電池等方法利用化石燃料產(chǎn)能。因此這一手段也處于競爭之地。何況目前，微生物燃料電池尚未達到這一水準的功率輸出。負荷速率為每天每立方米反應(yīng)器0.1~10 kg的化學需氧量時，可以認為實際上能達到的功率輸出在0.01~1.25 kW/m3之間。然而，對于好氧的處理過程，觀察到的生長速率為消耗每克有機底物產(chǎn)生0.4克生物量生成，而對于厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的過程這一速率理論上僅為0.077?；贛FC過程的本質(zhì)，其產(chǎn)量應(yīng)該介于這兩種代謝類型之間。觀察到的以葡萄糖飼喂的MFCs的生長速率在0.07~0.22之間。由于廢水處理設(shè)備中淤泥處理的花費多達每噸干物質(zhì)500，這一數(shù)量的減少對于該過程的經(jīng)濟平衡具有重要的提示意義。

有效的設(shè)計和操作能夠創(chuàng)造一種技術(shù)平臺，能夠在多種領(lǐng)域運用而不需要進行本質(zhì)上的修改。除了經(jīng)濟方面，MFCs已經(jīng)展現(xiàn)了支柱性的核心技術(shù)的姿態(tài)。它們在低的和適中的溫度下能有效的產(chǎn)生能量并轉(zhuǎn)化一系列的電子供體，甚至即使電子供體僅以低濃度存在。在這些方面現(xiàn)在還沒有能夠與之相媲美的其他已知技術(shù)。

生物優(yōu)化提示我們應(yīng)該選擇合適的細菌組合，以及促使細菌適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)化過的環(huán)境條件。雖然對細菌種子的選擇將很大程度上決定細菌增殖的速率，但是它并不決定這一過程產(chǎn)生的最終結(jié)構(gòu)。使用混合的厭氧-好氧型淤泥接種，并以葡萄糖作為營養(yǎng)源，可以觀察到經(jīng)過三個月的微生物適應(yīng)和選擇之后，細菌在將底物轉(zhuǎn)換為電流的速率上有7倍的增長。如果提供更大的陽極表面供細菌生長的話，增長會更快。

批處理系統(tǒng)使能夠制造可溶性的氧化型中間體的微生物的積累成為了可能。持續(xù)的系統(tǒng)性選擇能形成生物被膜的種類，它們或者能夠直接的生長在電極上，或者能夠通過生物被膜的基質(zhì)使用可移動的穿梭分子來傳遞電子。

通過向批次處理的陽極中加入可溶性的氧化中間體也能達到技術(shù)上的優(yōu)化:MFCs中加入氧化型代謝中間體能夠持續(xù)的改善電子傳遞。對這些代謝中間體的選擇到目前為止還僅僅是出于經(jīng)驗性的，而且通常只有低的中間體電勢，在數(shù)值約為300mV或者還原性更高的時候，才認為是值得考慮的。應(yīng)該選擇那些具有足夠高的電勢的氧化中間體，才能夠使細菌對于電極而言具有足夠高的流通速率，同時還需參考是以高庫侖效率還是以高能量效率為主要目標。

一些研究工作者們已經(jīng)開發(fā)了改進型的陽極材料，是通過將化學催化劑滲透進原始材料制成的。Park和Zeikus使用錳修飾過的高嶺土電極，產(chǎn)生了高達788mW/m2的輸出功率。而增加陽極的特殊表面將導致產(chǎn)生更低的電流密度(因此反過來降低了活化超極化)和更多的生物薄膜表面。然而，這種方法存在一個明顯的局限，微小的孔洞很容易被被細菌迅速堵塞。被切斷食物供應(yīng)的細菌會死亡，因此在它溶解前反而降低了電極的活化表面?？傊?，降低活化超極化和內(nèi)源性電阻值將是影響功率輸出的最主要因素。

根據(jù)電子傳遞方式進行分類，微生物燃料電池可分為直接的和間接的微生物燃料電池。所謂直接的是指燃料在電極上氧化的同時，電子直接從燃料分子轉(zhuǎn)移到電極，再由生物催化劑直接催化電極表面的反應(yīng)，這種反應(yīng)在化學中成為氧化還原反應(yīng); 如果燃料是在電解液中或其它處所反應(yīng)，電子通過氧化還原介體傳遞到電極上的電池就稱為間接微生物燃料電池。根據(jù)電池中是否需要添加電子傳遞介體又可分為有介體和無介體微生物燃料電池。

使用微生物燃料電池產(chǎn)生的功率大小依賴于生物和電化學這兩方面的過程。

受到如下因素的影響，包括細菌細胞的總量，反應(yīng)器中混合和質(zhì)量傳遞的現(xiàn)象，細菌的動力學(p-max--細菌的種屬特異性最大生長速率，Ks--細菌對于底物的親和常數(shù))，生物量的有機負荷速率(每天每克生物量中的底物克數(shù))，質(zhì)子轉(zhuǎn)運中的質(zhì)子跨膜效率，以及MFC的總電勢。

一般而言，測量MFCs的開放電路電勢(OCP)的值從750mV~798mV。影響超極化的參數(shù)包括電極表面，電極的電化學性質(zhì)，電極電勢，電極動力學以及MFC中電子傳遞和電流的機制。

與在陽極觀測到的現(xiàn)象相似，陰極也具有顯著的電勢損失。為了糾正這一點，一些研究者們使用了赤血鹽(hexacyanoferrate)溶液。但是，赤血鹽并不是被空氣中的氧氣完全重氧化的，所以應(yīng)該認為它是一個電子受體更甚于作為媒介。如果要達到可持續(xù)狀態(tài)，MFC陰極最好是開放性的陰極。