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(shí)機(jī)。MFCs能夠應(yīng)用不同的碳水化合物，同時(shí)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(yáng)極作為電子受體的實(shí)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(yùn)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(duì)應(yīng)的不同的性能,。在此，我們將討論細(xì)菌是如何運(yùn)用陽(yáng)極作為電子傳送的受體,，以及它們產(chǎn)能輸出的才能,。對(duì)MFC技術(shù)的評(píng)價(jià)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(gè)世紀(jì)70年代就已存在,，并且運(yùn)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(shí)踐應(yīng)用提供了可能的時(shí)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(yáng)極,。這一轉(zhuǎn)換能夠經(jīng)過運(yùn)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(gè)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(shì),。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(yùn)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(dòng)的補(bǔ)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(shí)也擴(kuò)展了用來滿足我們對(duì)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(yáng)極的勢(shì)能也將決議細(xì)菌的代謝,。增加MFC的電流會(huì)降低陽(yáng)極電勢(shì),，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(yáng)極電勢(shì)將決議細(xì)菌最終電子穿越的氧化復(fù)原電勢(shì),，同時(shí)也決議了代謝的類型,。依據(jù)陽(yáng)極勢(shì)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(bào)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(yáng)極電勢(shì)的狀況下,，細(xì)菌在氧化代謝時(shí)可以運(yùn)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(yùn)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(yùn)用電子傳送鏈的2號(hào)位點(diǎn)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(shí)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(huì)招致陽(yáng)極電勢(shì)降低，電子則易于堆積在這些組分上,。當(dāng)運(yùn)用厭氧淤泥作為接種體時(shí),，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(yùn)用陽(yáng)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(yáng)極持續(xù)維持低電勢(shì)則發(fā)酵就成為此時(shí)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(yùn)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(dòng)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(dú)立發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，察看到在無氧條件下MFC富集培育時(shí),，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(yáng)極電勢(shì)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(cè)到的氧化復(fù)原電勢(shì)的數(shù)據(jù)一同,，為我們一窺微生物電動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)深化的窗口。一個(gè)在外部電阻很低的狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)的MFC,，在剛開端在生物量積聚時(shí)期只產(chǎn)生很低的電流,，因而具有高的陽(yáng)極電勢(shì)（即低的MFC電池電勢(shì)）。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(zhǎng),，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(yáng)極電勢(shì)程度將有利于那些順應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物生長(zhǎng)。但是此時(shí),，專性厭氧型微生物依然會(huì)遭到陽(yáng)極倉(cāng)內(nèi)存在的氧化電勢(shì),，同時(shí)也可能遭到跨膜浸透過來的氧氣影響，而處于生長(zhǎng)受抑的狀態(tài),。假如外部運(yùn)用高電阻時(shí),，陽(yáng)極電勢(shì)將會(huì)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(duì)細(xì)菌品種的選擇的可能性被局限了,。

MFC中的陽(yáng)極電子傳送機(jī)制

電子向電極的傳送需求一個(gè)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(yùn)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(gè)組分能否能發(fā)揮相似電子門控通道的主要請(qǐng)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(shì)能與陽(yáng)極的上下關(guān)系則將決議實(shí)踐上能否可以運(yùn)用這一門控（電子不能傳送給一個(gè)更復(fù)原的電極）,。