微生物燃料电池及其应用简介
刘洁 070106112
（南京林业大学森林资源源于环境学院 南京）
摘要：微生物燃料电池ＭＦＣ(Microbial Fuel Cells)是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。利用ＭＦＣ不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解，而且同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流，从而获得电能。因此，无论是利用ＭＦＣ输出电能的特点进行新型能源的开发，还是利用ＭＦＣ电流与水中有机物之间的定量关系进行新型污水水质检测方法的研究等，对ＭＦＣ的研究均具有重要的理论意义和应用价值。
关键词： 微生物燃料电池；工作原理；应用及面临的难题
Brief Introduction to Microbial Fuel Cells and Its Applications
Liu Jie
(College of Forest Resources and Environment, Nan Jing Forest University, Nan
Jing, China)
Abstract: Microbial Fuel Cells is a kind of device transforming chemical energy into electricity, with microbe as anode catalyst. With the advantage of MFCs, the organics in the sewage or sludge can be degradated directly and the electrons obtained from organics through microbial metabolism can be transformed into
electric current in order to obtain electricity as well. Therefore, there will be great vista if MFCs is applied to new energy development, sewage quality test, etc.
Keywords: Microbial Fuel Cells; working theory; application and suspending problems
人们对微生物燃料电池的研究已经有相当长的时间。1910年，英国植物学家Potter把酵母或大肠杆菌放入含有葡萄糖的培养基中进行厌氧培养，发现利用微生物可以产生0.2 mA的电流和0.3~0.5 V的开路电压，MFC的研究由此开始。20世纪50年代初，随着航天研究领域的迅速发展，对MFC研究的兴趣随之升高，发现一些微生物可以不通过氧化还原媒介体直接氧化有机物转移电子，并以Fe（Ⅲ）为最终电子受体。70年代，作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的MFC，直接MFC逐渐成为研究的中心。80年代，MFC的研究全面展开，出现了多种类型的电池，使用介体的间接型电池占主导地位。90年代以后，研究发现微生物不通过介体也可以传递电子，研究热点开始转向无介体MFC。经过近半个世纪特别是近年的研究，MFC技术打破了传统的污水处理理念，实现了污水处理技术的重大革新，但该技术离产业应用还有很长的路要走。但可以预见MFC在新能源的开发，污水处理工艺，微生物传感器开发及航天、医疗器械等方面具有十分广大的前景。
1. 微生物燃料电池简介
1.1 MFC构造：
与其他类型燃料电池类似，微生物燃料电池的基本结构为阴极池加阳极池。根据阴极池结构的不同，MFC反应器主要分为两类：一类是双室MFC，另一类是单室MFC（其阴极氧化剂直接为空气，因而无需盛装溶液的容器）。双室MFC又分为矩形式、双瓶式、平
盘式及升流式等。
根据电池中是否使用质子交换膜又可分为有膜型和无膜型2类。无膜型燃料电池则是利用阴极材料具有部分防空气渗透的作用而省略了质子交换膜。
ＭＦＣ的阳极材料通常选用导电性能较好的石墨、碳布和碳纸等材料[3]，其中为提高电极与微生物之间的传递效率，有些材料经过了改性。阴极材料大多使用载铂碳材料，现在时有创新阴极材料的报道。
1.2 双极室MFC工作原理
微生物燃料电池是利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上。从电化学的角度讲，微生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处。
底物，在这里指可处理的污水包括以下两个方面[1]：(1)易降解物质：葡萄糖、乙酸、乙醇、养殖废水等。(2) 难降解物质：苯酚、苯、喹啉、5-呋喃、石油类污染物、含铬废水、硝基苯酚等。
以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳两极反应如下式所示：
阳极反应：C6H12O6+6H2O → 6CO2+24e-+24H+
阴极反应：6O2+ 24e-+ 24H+ → 12H2O
具体的产能过程可描述如下[2]：阳极室内的微生物在厌氧条件下代谢水中的有机质(葡
萄糖等)，产生电子和质子。电子传递到阳极，再经由外电路到达阴极；质子则穿过质子交换膜或直接通过电解质到达阴极。在阴极室，质子、电子和氧相结合生成水。阴阳两极之间存在电位差，最高电位可达(0. 5-0. 8) V，这与氢燃料电池产生的电压相接近，通过对反应器的集成，可以将这样的低电压转换成较高电压，从而获得可利用的电能。
2. MFCs的应用
已有研究结果显示，微生物燃料电池在以下方面具有应用开发前景：替代能源；微生物传感器的开发；环境污染治理。
2.1 替代能源
在未来几十年中，能源问题将极大地影响社会的经济发展和人类的生活方式，解决能源问题的方式之一是加大对可再生能源的研究与开发的力度。利用微生物代谢过程与电极反应相结合的微生物燃料电池的研发为可再生能源生产提供一条新途径。
2.2 微生物传感器的开发
2.2.1 生物传感器
生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。
2.2.2 微生物传感器及其优点
微生物传感器是一种以微生物活细胞或细胞碎片作为敏感元件，结合电化学换能器，对被分析物具有高度选择性的装置。
微生物细胞不同于一般的动植物细胞，它能单独进行生长、呼吸、繁殖等生命活动，不停地从周围环境中摄取物质进行同化作用，同时又不停地向环境排出代谢产物及废物，因而微生物可以看成是含有多种天然复合酶系。用微生物来代替酶，作为分子识别部件将微生物固定在膜上，可制成具有复杂功能的生物传感器。这种传感器的一个优点是稳定时间长，能适应宽范围的声值和温度，寿命长、价格低，但有选择性差的缺陷[4]。
2.2.3 微生物传感器的应用
微生物传感器在生物工业、环境监测及临床医疗中都有广泛应用[5]。例如：1）在生物工业中将酿酒酵母菌固定在氧电极表面，用于蔗糖等低分子糖的测定；使用某菌株制成葡萄糖传感器，检测发酵液中葡萄糖的含量，并实现了离线监测。2）在环境监测中，微生物传感器广泛应用于检测环境中的农药残留物、氯苯甲酸盐类物质、苯类物质、氰化物、多氯联苯和有毒重金属等。3）在临床医学中，利用特定微生物电池做成的血糖传感器和尿酸传感器使糖尿病和痛风患者能在家中对病情进行自我监测。
2.3 MFCs在各种环境污染治理中的应用[6]
目前，广泛采用的污水处理技术主要是好氧生物处理和厌氧生物处理两种方法。前者要消耗大量能量，运行费用高。后者运行费较低，但甲烷的回收利用问题没有得到很好的解决。微生物燃料电池融合了污水处理和生物产电的新技术，它能够在处理污水的同时收
获电能。
2.3.1 MFCs用于脱氮
盐、亚盐、铵盐及其它形态的N元素广泛存在于各种水环境中，是地球氮循环的主要组成部分，然而氮元素超标也是各种污染环境的重要特征之一。
MFCs可以有效地进行脱氮。氨氮的氧化还原电位较低，在有氧或厌氧氨氧化过程中都可以作为电子供体为微生物生长提供能量。
2.3.2 MFCs用于脱硫
硫酸盐、硫化物等含硫化合物是水体和大气污染的另一个重要原因。在氧化还原势高于－0.274V时，硫化物可依次被氧化为0价硫、亚硫酸盐和硫酸盐。
作为生物电化学装置，MFCs在脱硫过程中具有特殊优势。
2.3.3 MFCs用于偶氮类染料降解
偶氮类染料及其降解产物具有“三致”作用，其在环境中造成的污染也受到广泛关注。MFCs用于偶氮染料降解可以结合传统的电化学降解和生物降解两种技术的优势。
2.3.4 MFCs用于垃圾渗滤液处理
垃圾渗滤液含有较高浓度的氨氮、BOD、COD，以及重金属元素等，对周围土壤、水体和大气危害严重。生物法是目前主要的垃圾渗滤液处理方法，分为好氧和厌氧处理两种，
但通常效率较低，难以实现其资源化。近年来，MFC用于处理垃圾渗滤液时可以达到较好的降低BOD和COD的效果。
2.3.5 MFCs用于金属还原与氧化
环境中微生物在金属的氧化还原过程中发挥了重要作用，异化金属还原菌和金属氧化菌可以将金属离子在其氧化态和还原态之间转换。在MFCs中，除微生物作用外，金属离子还可以在电极的作用下被氧化或还原。
2.3.6 MFCs用于纤维类固体生物质资源化
目前，绝大部分的谷物秸秆等纤维素类生物质未能得到有效利用，即使在美国利用率也小于10%，这类物质在微生物作用下可以转化为乙醇、氢气等能源物质，但效率较低。MFCs可以实现对纤维素类生物质更高效、更直接的能量转化。
2.3.7 MFCs用于其它环境污染物的降解
3. MFCs应用面临的难题[7]
MFC在替代能源、传感器、污水处理新工艺等方面具有应用开发前景，但是燃料氧化速率低和质子传递速率慢束缚MFC发展，因此，解决MFC发展的瓶颈因素，应依托生物电化学、生物传感器、纳米材料、分子生物学等技术，深入研究阴阳极材料、质子交换膜、微生物的筛选、培育、生物膜固化技术及MFC结构的研究与开发，MFC在不久的将来必定得到更快的发展。
参考文献：
[1] 毕哲, 胡勇为, 孙健. 生物阴极型微生物燃料电池同步降解偶氮燃料与产电性能研究[J]. 环境科学学报, 2009, 29(8) :1635-11.
[2] 葛小萍, 刘财钢, 石琰璟. 微生物燃料电池在污水处理方面的应用研究进展[J]. 科学技术与工程, 2010, 10(14) :3419-3422.
[3] 骆海萍, 张翠萍, 宋海红, 等. 降解苯的微生物燃料电池产电性能研究[J]. 中山大学学报（自然科学版）,2010, 49(1): 113-117.
[4] 黄科林, 吴睿, 韦生敏, 等. 农药残留测定用生物传感器研究进展[J]. 企业科技与发展, 2009, 22: 19-22.
[5] 谢佳胤, 李捍东, 王平, 等. 微生物传感器的应用研究[J]. 现代农业科技, 2010, 6: 11-13.
[6] 杨永刚, 孙国萍, 许玫英. 微生物燃料电池在环境污染治理研究中的应用进展[J]. 微生物学报, 2010, 50(7): 847-852.
[7] 伍峰. 微生物燃料电池发展现状与应用前景[J]. 广州环境科学, 2010, 25(2): 38-40.
