摘要:簡單敘述了微生物燃料電池(ＭＦＣ)的基本結構及運行原理,從ＭＦＣ的陽極微生物,、陰極結構等方面介紹了ＭＦＣ的發(fā)展現(xiàn)狀和研究重點,分析了ＭＦＣ在替代能源,、生物傳感器和開發(fā)新型水處理工藝等方面的應用前景,指出進一步的研究重點應放在改善電極電化學性能,、提高電池輸出功率密度和降低電池成本等方面,。
關鍵詞:燃料電池;微生物;新能源;生物傳感器;水處理
中圖分類號:ＴＭ911 45 文獻標識碼:Ａ 文章編號:0253-4320(2007)01-0013-05
微生物燃料電池(ＭＦＣ)是一種以微生物為陽極催化劑,將化學能直接轉化成電能的裝置,。利用ＭＦＣ不僅可以直接將水中或者污泥中的有機物降解,而且同時可以將有機物在微生物代謝過程中產生的電子轉化成電流,從而獲得電能,。因此,無論是利用ＭＦＣ輸出電能的特點進行新型能源的開發(fā),還是利用ＭＦＣ電流與水中有機物之間的定量關系進行新型污水水質檢測方法的研究,以及利用ＭＦＣ的特殊環(huán)境對特殊性能的微生物進行馴化,對ＭＦＣ的研究均具有重要的理論意義和應用價值。本文將從電池基本結構,、微生物馴化和應用研究等方面對微生物燃料電池的研究現(xiàn)狀和應用前景進行綜述及分析,。
1 基本結構和運行原理
與其他類型燃料電池類似,微生物燃料電池的基本結構為陰極池加陽極池。根據(jù)陰極池結構的不同,ＭＦＣ可分為單池型和雙池型2類;根據(jù)電池中是否使用質子交換膜又可分為有膜型和無膜型2類,。其中單池型ＭＦＣ由于其陰極氧化劑直接為空氣,因而無需盛裝溶液的容器[1-3],而無膜型燃料電池則是利用陰極材料具有部分防空氣滲透的作用而省略了質子交換膜[2,4],。
ＭＦＣ的陽極材料通常選用導電性能較好的石墨、碳布和碳紙等材料,其中為提高電極與微生物之間的傳遞效率,有些材料經過了改性[5],。陰極材料大多使用載鉑碳材料,也有使用摻Ｆｅ3+的石墨[1]和沉積了氧化錳的多孔石墨[6]作為陰極材料的報道,。
ＭＦＣ基本工作原理為[7]:①在陽極池,水溶液中或污泥中的營養(yǎng)物在微生物作用下直接生成質子、電子和代謝產物,電子通過載體傳送到電極表面,。隨著微生物性質的不同,電子載體可能是外源的染料分子,、與呼吸鏈有關的ＮＡＤＨ和色素分子,也可能是微生物代謝產生的還原性物質,如Ｓ2-和Ｈ2等[8]。②電子通過外電路到達陰極,質子通過溶液遷移到陰極,。③在陰極表面,處于氧化態(tài)的物質(如氧氣等)與陽極傳遞過來的質子和電子結合發(fā)生還原反應,。
2 陽極微生物的研究進展
2 1 微生物的篩選與分類
自20世紀70年代ＭＦＣ概念正式提出以來,微生物的篩選一直是ＭＦＣ的研究重點。目前,已用于ＭＦＣ的微生物根據(jù)其電子傳遞途徑的差異可以分為2類:第1類微生物,如Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏｄｅｓｕｌｆｕｒｉｃａｎｓ,、Ｐｒｏｔｅｏｕｓｖｕｌｇａｒｉｓｈ和Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉ[9]等,代謝產生的電子需要外源中間體的參與才能傳遞到電極表面;第2類微生物,如Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ[10],、Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａｐｕｔｒｅｆａ ｃｉｅｎｓ[11]、Ｒｈｏｄｏｆｅｒａｘｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ[12]等,代謝產生的電子可通過細胞膜直接傳遞到電極表面,。通常用第1類微生物接種的ＭＦＣ稱為間接ＭＦＣ,用第2類微生物接種的ＭＦＣ稱為直接ＭＦＣ,。
2 2 微生物馴化與鑒定
ＭＦＣ研究中使用的微生物菌種大多為單一菌種,直接來自于微生物菌種庫,而近年來的研究結果表明,直接用來自天然厭氧環(huán)境的混合菌接種電池,可以使電流輸出成倍增加[1],且在陽極表面富集了優(yōu)勢微生物菌屬[13]。因此,探討微生物的馴化過程,、底物性質與電池性能的關系及優(yōu)勢微生物鑒定是近年來ＭＦＣ研究的熱點,。
目前,微生物馴化過程的常規(guī)操作是:在厭氧條件下,直接用天然厭氧環(huán)境中的污泥、污水或污水處理廠的活性污泥接種ＭＦＣ,將外電路連通后觀察ＭＦＣ各種性能的變化,定期更換培養(yǎng)液,直到ＭＦＣ性能穩(wěn)定,。Ｋｉｍ等[14]嘗試考察了接種體的預處理方式對混合菌接種的ＭＦＣ性能的影響,。研究結果表明,如果接種體在加入到ＭＦＣ前先行除去產甲烷菌,然后接種,不利于ＭＦＣ功率的提高;而如果采用Ｒａｂａｅｙ等[15]開發(fā)的馴化方法,則可以提高ＭＦＣ的放電功率。
對ＭＦＣ富集的微生物進行鑒定,除必要的形態(tài)觀察外,多直接采用16ＳｒＤＮＡ進行分析,。研究結果顯示,使用不同營養(yǎng)鹽喂養(yǎng)的ＭＦＣ中的優(yōu)勢微生物種屬各不相同,。使用河水喂養(yǎng)的ＭＦＣ中Ｂｅｔａｐｒｏ ｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ占主導地位(46 2%),而使用人工污水培養(yǎng)的ＭＦＣ中Ａｌｐｈａｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ占主導地位(64 4%),而且在使用河水喂養(yǎng)的ＭＦＣ中還獲得了未培養(yǎng)菌[16];從使用淀粉加工廢水喂養(yǎng)的ＭＦＣ中分離出屬于Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ子群的厭氧菌ＥＧ3[17];在使用含醋酸的人工廢水喂養(yǎng)的ＭＦＣ中分離出屬于Ａｅｒｏｍｏｎａｓｈｙｄｒｏｐｈｉｌａ的ＰＡ3[18];使用海底污泥培養(yǎng)時,陽極表面Ｇｅｏｂａｃｔｅｒａｃｅａｅ富集了100倍,用河口污泥馴化時,在陽極表面類似于微生物Ｄｅｓｕｌｆｏｂｕｌ ｂａｃｅａｅ種屬的基因系列占了絕大多數(shù),而由淡水污泥馴化時,陽極表面大多數(shù)基因系列則與鐵還原菌Ｇｅｏｔｈｒｉｘｆｅｒｍｅｎｔａｎｓ密切相關[13]。
