微生物燃料電池（MFCs）提供了從可生物降解的、復(fù)原的化合物中維持能量產(chǎn)生的新時機(jī),。MFCs能夠應(yīng)用不同的碳水化合物，同時也能夠應(yīng)用廢水中含有的各種復(fù)雜物質(zhì),。關(guān)于它所觸及的能量代謝過程,，以及細(xì)菌應(yīng)用陽極作為電子受體的實質(zhì)，目前都只要極端有限的信息,；還沒有樹立關(guān)于其中電子傳送機(jī)制的明晰理論,。假使要優(yōu)化并完好的開展MFCs的產(chǎn)能理論，這些學(xué)問都是必需的,。根據(jù)MFC工作的參數(shù),，細(xì)菌運用著不同的代謝通路。這也決議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(xì)菌是如何運用陽極作為電子傳送的受體，以及它們產(chǎn)能輸出的才能,。對MFC技術(shù)的評價是在與目前其它的產(chǎn)能途徑比擬下作出的,。

微生物燃料電池并不是新興的東西,，應(yīng)用微生物作為電池中的催化劑這一概念從上個世紀(jì)70年代就已存在，并且運用微生物燃料電池處置家庭污水的想象也于1991年完成,。但是,，經(jīng)過提升能量輸出的微生物燃料電池則是重生的，為這一事物的實踐應(yīng)用提供了可能的時機(jī),。

MFCs將能夠被生物降解的物質(zhì)中可應(yīng)用的能量直接轉(zhuǎn)化成為電能,。要到達(dá)這一目的，只需求使細(xì)菌從應(yīng)用它的自然電子傳送受體,，例如氧或者氮,，轉(zhuǎn)化為應(yīng)用不溶性的受體，比方MFC的陽極,。這一轉(zhuǎn)換能夠經(jīng)過運用膜聯(lián)組分或者可溶性電子穿越體來完成,。然后電子經(jīng)由一個電阻器流向陰極，在那里電子受體被復(fù)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)有的其它應(yīng)用有機(jī)物產(chǎn)能的技術(shù)相比,，MFCs具有操作上和功用上的優(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)有的一切生物能處置,，MFCs在常溫,，以至是低溫的環(huán)境條件下都可以有效運作。第三,，MFC不需求停止廢氣處置,，由于它所產(chǎn)生的廢氣的主要組分是二氧化碳，普通條件下不具有可再應(yīng)用的能量,。第四,，MFCs不需求能量輸入，由于僅需通風(fēng)就能夠被動的補充陰極氣體,。第五,，在缺乏電力根底設(shè)備的部分地域，MFCs具有普遍應(yīng)用的潛力,，同時也擴(kuò)展了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性,。

微生物燃料電池中的代謝

為了權(quán)衡細(xì)菌的發(fā)電才能，控制微生物電子和質(zhì)子流的代謝途徑必需要肯定下來。除去底物的影響之外,，電池陽極的勢能也將決議細(xì)菌的代謝,。增加MFC的電流會降低陽極電勢，招致細(xì)菌將電子傳送給更具復(fù)原性的復(fù)合物,。因而陽極電勢將決議細(xì)菌最終電子穿越的氧化復(fù)原電勢,，同時也決議了代謝的類型。依據(jù)陽極勢能的不同可以辨別一些不同的代謝途徑：高氧化復(fù)原氧化代謝,，中氧化復(fù)原到低氧化復(fù)原的代謝,，以及發(fā)酵。因而,，目前報道過的MFCs中的生物從好氧型,、兼性厭氧型到嚴(yán)厲厭氧型的都有散布,。

在高陽極電勢的狀況下,，細(xì)菌在氧化代謝時可以運用呼吸鏈。電子及其相隨同的質(zhì)子傳送需求經(jīng)過NADH脫氫酶,、泛醌,、輔酶Q或細(xì)胞色素。Kim等研討了這條通路的應(yīng)用狀況,。他們察看到MFC中電流的產(chǎn)生可以被多種電子呼吸鏈的抑止劑所阻斷,。在他們所運用的MFC中，電子傳送系統(tǒng)應(yīng)用NADH脫氫酶,，F(xiàn)e/S（鐵/硫）蛋白以及醌作為電子載體,，而不運用電子傳送鏈的2號位點或者末端氧化酶。通常察看到,，在MFCs的傳送過程中需求應(yīng)用氧化磷酸化作用,，招致其能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)65%。常見的實例包括假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）,，微腸球菌（Enterococcus faecium）以及Rhodoferax ferrireducens,。

假如存在其它可替代的電子受體，如硫酸鹽,，會招致陽極電勢降低,，電子則易于堆積在這些組分上。當(dāng)運用厭氧淤泥作為接種體時,，能夠反復(fù)性的察看到沼氣的產(chǎn)生,，提示在這種狀況下細(xì)菌并未運用陽極。假如沒有硫酸鹽,、硝酸鹽或者其它電子受體的存在,，假如陽極持續(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,，觸及到的可能的反響是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2 或 6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2,。它標(biāo)明，從理論上說,，六碳底物中最多有三分之一的電子可以用來產(chǎn)生電流,，而其它三分之二的電子則保管在產(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)電的緣由在于氫化酶的性質(zhì)，它通常運用這些電子產(chǎn)生氫氣,，氫化酶普通位于膜的外表以便于與膜外的可活動的電子穿越體相接觸,，或者直接接觸在電極上。同反復(fù)察看到的現(xiàn)象分歧,，這一代謝類型也預(yù)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）,，都曾經(jīng)從MFCs中別離出來。此外,，在獨立發(fā)酵實驗中,，察看到在無氧條件下MFC富集培育時，有豐厚的氫氣產(chǎn)生,，這一現(xiàn)象也進(jìn)一步的支持和考證這一通路,。

發(fā)酵的產(chǎn)物，如乙酸,，在低陽極電勢的狀況下也可以被諸如泥菌屬等厭氧菌氧化,，它們可以在MFC的環(huán)境中攫取乙酸中的電子。

代謝途徑的差別與已觀測到的氧化復(fù)原電勢的數(shù)據(jù)一同,，為我們一窺微生物電動力學(xué)提供了一個深化的窗口,。一個在外部電阻很低的狀況下運轉(zhuǎn)的MFC，在剛開端在生物量積聚時期只產(chǎn)生很低的電流,，因而具有高的陽極電勢（即低的MFC電池電勢）,。這是關(guān)于兼性好氧菌和厭氧菌的選擇的結(jié)果。經(jīng)過培育生長,，它的代謝轉(zhuǎn)換率,，表現(xiàn)為電流程度，將升高,。所產(chǎn)生的這種適中的陽極電勢程度將有利于那些順應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物生長,。但是此時,，專性厭氧型微生物依然會遭到陽極倉內(nèi)存在的氧化電勢，同時也可能遭到跨膜浸透過來的氧氣影響,，而處于生長受抑的狀態(tài),。假如外部運用高電阻時，陽極電勢將會變低,，以至只維持微小的電流程度,。在那種狀況下，將只能選擇順應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物以及專性厭氧微生物,，使對細(xì)菌品種的選擇的可能性被局限了,。

MFC中的陽極電子傳送機(jī)制

電子向電極的傳送需求一個物理性的傳送系統(tǒng)以完成電池外部的電子轉(zhuǎn)移。這一目的既能夠經(jīng)過運用可溶性的電子穿越體,，也能夠經(jīng)過膜分離的電子穿越復(fù)合體,。

氧化性的、膜分離的電子傳送被以為是經(jīng)過組成呼吸鏈的復(fù)合體完成的,。已知細(xì)菌應(yīng)用這一通路的例子有Geobacter metallireducens ,、嗜水氣單胞菌（Aeromonas hydrophila）以及Rhodoferax ferrireducens。決議一個組分能否能發(fā)揮相似電子門控通道的主要請求在于,，它的原子空間構(gòu)造相位的易接近性（即物理上能與電子供體和受體發(fā)作互相作用）,。門控的勢能與陽極的上下關(guān)系則將決議實踐上能否可以運用這一門控（電子不能傳送給一個更復(fù)原的電極）,。