文档介绍：微生物燃料电池中产电微生物的研究进展
谢 丽,马玉龙
    宁夏大学,宁夏 银川 750021
    摘 要:产电微生物向阳极转移电子的能力是影响微生物燃料电池功率密度的主要内因。文章从电子由细胞内传递至细胞表面,再从细胞表面转移至阳极2 个环节介绍了电子传递机制,着重从种类和各自的特点出发全面综述了 MFC 产电微生物的研究进展,最后提出了产电微生物在MFC 系统中进一步的研究方向。
    关键词:微生物燃料电池;产电微生物;电子传递机制
    中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1002- 204X(2011)07- 0104- 04
    随着人口的增长,社会和经济的发展,全世界范围内以不可再生资源(石油、煤和天然气)为主要能源的状况在未来将难以继续。人类面临能源危机的同时,还要面对因使用这些化石燃料对环境造成的破坏从而导致的全球气候恶化等影响。因此,开发和利用可再生能源已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分。
    发现于 1911 年的微生物燃料电池(microbial fuel cell,简称MFC) 作为一种利用微生物代谢产生电能的方法,在 20 世纪90 年代初开始受到关注,研究人员在 MFC 领域展开了大量的工作,并取得了显著成果。
    目前,MFC 的研究还处于实验室阶段和小规模试验阶段,功率输出比较低,这与电池构型、电极材料、膜材料、产电微生物等多方面的因素有关,但产电微生物氧化有机物并向阳极传递电子的能力是影响 MFC电能输出的主要内因。因此,选择高效的产电微生物至关重要。
    1 MFC工作原理
    MFC 可以利用各种有机物、微生物呼吸的代谢产物、发酵产物、污水等作为燃料,通过微生物作用进行能量转换,把代谢产生的电子传输到细胞表面上,然后电子从细胞表面通过电子传递中介体(由人工添加或微生物自身代谢产生)或直接接触转移到电池阳极,经外电路,阳极上的电子到达阴极,产生外电流;同时将产生的质子通过质子交换膜(PEM)传递到阴极室,在阴极与电子、氧气反应生成水,实现电池内电荷的传递,从而完成整个生物电化学过程和能量转化过程。图1为双室型微生物燃料电池的构造图。
    2 MFC 产电微生物的电子传递机制
    据研究发现产电微生物向阳极传递电子分2步走,第1步是电子在细胞内产生并向细胞表面传递;第2 步是电子到达细
    
    胞表面后向 MFC阳极传递。
     由细胞内向细胞表面的电子传递
    一些产电微生物可依靠其膜上的脱氢酶直接氧化小分子有机酸,释放电子给细胞膜上的电子载体,另一些产电微生物可氧化糖类等稍微复杂的有机物生成 NADH,然后在 NADH脱氢酶的作用下,电子从NADH转移至电子传递链,到达细胞表面的氧化还原蛋白[1]。
     由细胞表面向 MFC 阳极的电子传递
    产电微生物在细胞内氧化有机物产生的电子被传递至细胞表面后,被证实将会通过 2 种传递机制将电子传递到 MFC阳极上,1种是电子穿梭机制;1种是生物膜机制[2]。
    电子穿梭机制是微生物利用外加或自身分泌的电子穿梭体,将代谢产生的电子转移至阳极表面的方式。由于微生物细胞壁的阻碍,多数微生物自身不能将电子传递到阳极表面,需借助可