什么是微生物燃料電池？

什么是微生物燃料電池？

微生物燃料電池的概念已經提出將近三十年了。當時一個英國研究人員在碳水化合物中培養細菌的過程中，連接兩個電極時，觀測到了微弱的電流。盡管它還只處于實驗室研究階段。但其研究已經逐漸成形，有望成為一種替代能源。

事實上，光合作用細菌可以有效地從它們的食物中分離出能量。微生物可以從有機廢物中剝離電子，然后形成電流。利用先進的電子提取技術，可以使這個轉化過程更有效地進行。

目前，研究人員們把微生物封裝在密閉的無氧測試管中，測試管的形狀被做成類似電路的回路。當處理廢物時，先把有機廢水通入管中，作為副產品電子向陽極移動，然后通過回路流到陰極。另外一種副產品質子通過一塊離子交換膜流到陰極。在陰極中，電子和質子與氧氣發生反應形成水。

一塊微生物燃料電池，理論上最大可以產生1.2伏特電壓。但是可以像電池一樣把足夠多的燃料電池并聯和串聯起來，產生足夠高的電壓來作為一種有實際應用的電源。

光合作用細菌

微生物燃料電池的分類介體

向微生物燃料電池中添加的介體主要有兩種：第一類是人工合成的介體，主要是一些染料類的物質，如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等等。這些介體必須滿足一定的條件：

(1) 能穿透進入微生物的細胞內發生氧化反應；

(2) 非常容易得電子；(3) 在被還原之前能快速離開微生物細胞；

(4) 在陽極表面有很好的電化學活性；

(5) 穩定性好；

(6) 在陽極電解液中是可溶的；

(7) 對微生物沒有毒性；

(8) 不會被微生物代謝掉。第二類是某些微生物自身可以合成介體，如Pseudomonas aeruginosastrainKRP1能夠合成綠膿菌素和吩嗪-1-甲酰胺等物質，它合成的介體不光自己可以使用，其它的微生物也可以利用它產生的介體傳遞電子。 微生物燃料電池（MFCs）提供了從可生物降解的、還原的化合物中維持能量產生的新機會。MFCs可以利用不同的碳水化合物，同時也可以利用廢水中含有的各種復雜物質。關于它所涉及的能量代謝過程，以及細菌利用陽極作為電子受體的本質，目前都只有極其有限的信息；還沒有建立關于其中電子傳遞機制的清晰理論。倘若要優化并完整的發展MFCs的產能理論，這些知識都是必須的。依據MFC工作的參數，細菌使用著不同的代謝通路。這也決定了如何選擇特定的微生物及其對應的不同的性能。在此，我們將討論細菌是如何使用陽極作為電子傳遞的受體，以及它們產能輸出的能力。對MFC技術的評價是在與目前其它的產能途徑比較下作出的。

微生物燃料電池并不是新興的東西，利用微生物作為電池中的催化劑這一概念從上個世紀70年代就已存在，并且使用微生物燃料電池處理家庭污水的設想也于1991年實現。但是，經過提升能量輸出的微生物燃料電池則是新生的，為這一事物的實際應用提供了可能的機會。

MFCs將可以被生物降解的物質中可利用的能量直接轉化成為電能。要達到這一目的，只需要使細菌從利用它的天然電子傳遞受體，例如氧或者氮，轉化為利用不溶性的受體，比如MFC的陽極。這一轉換可以通過使用膜聯組分或者可溶性電子穿梭體來實現。然后電子經由一個電阻器流向陰極，在那里電子受體被還原。與厭氧性消化作用相比，MFC能產生電流，并且生成了以二氧化碳為主的廢氣。

與現有的其它利用有機物產能的技術相比，MFCs具有操作上和功能上的優勢。首先它將底物直接轉化為電能，保證了具有高的能量轉化效率。其次，不同于現有的所有生物能處理，MFCs在常溫，甚至是低溫的環境條件下都能夠有效運作。第三，MFC不需要進行廢氣處理，因為它所產生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量輸入，因為僅需通風就可以被動的補充陰極氣體。第五，在缺乏電力基礎設施的局部地區，MFCs具有廣泛應用的潛力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性。 為了衡量細菌的發電能力，控制微生物電子和質子流的代謝途徑必須要確定下來。除去底物的影響之外，電池陽極的勢能也將決定細菌的代謝。增加MFC的電流會降低陽極電勢，導致細菌將電子傳遞給更具還原性的復合物。因此陽極電勢將決定細菌最終電子穿梭的氧化還原電勢，同時也決定了代謝的類型。根據陽極勢能的不同能夠區分一些不同的代謝途徑：高氧化還原氧化代謝，中氧化還原到低氧化還原的代謝，以及發酵。因此，目前報道過的MFCs中的生物從好氧型、兼性厭氧型到嚴格厭氧型的都有分布。

在高陽極電勢的情況下，細菌在氧化代謝時能夠使用呼吸鏈。電子及其相伴隨的質子傳遞需要通過NADH脫氫酶、泛醌、輔酶Q或細胞色素。Kim等研究了這條通路的利用情況。他們觀察到MFC中電流的產生能夠被多種電子呼吸鏈的抑制劑所阻斷。在他們所使用的MFC中，電子傳遞系統利用NADH脫氫酶，Fe/S（鐵/硫）蛋白以及醌作為電子載體，而不使用電子傳遞鏈的2號位點或者末端氧化酶。通常觀察到，在MFCs的傳遞過程中需要利用氧化磷酸化作用，導致其能量轉化效率高達65%。常見的實例包括假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），微腸球菌（Enterococcus faecium）以及Rhodoferax ferrireducens。

如果存在其它可替代的電子受體，如硫酸鹽，會導致陽極電勢降低，電子則易于沉積在這些組分上。當使用厭氧淤泥作為接種體時，可以重復性的觀察到沼氣的產生，提示在這種情況下細菌并未使用陽極。如果沒有硫酸鹽、硝酸鹽或者其它電子受體的存在，如果陽極持續維持低電勢則發酵就成為此時的主要代謝過程。例如，在葡萄糖的發酵過程中，涉及到的可能的反應是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2 或 6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它表明，從理論上說，六碳底物中最多有三分之一的電子能夠用來產生電流，而其它三分之二的電子則保存在產生的發酵產物中，如乙酸和丁酸鹽?？傠娮恿康娜种挥脕戆l電的原因在于氫化酶的性質，它通常使用這些電子產生氫氣，氫化酶一般位于膜的表面以便于與膜外的可活動的電子穿梭體相接觸，或者直接接觸在電極上。同重復觀察到的現象一致，這一代謝類型也預示著高的乙酸和丁酸鹽的產生。一些已知的制造發酵產物的微生物分屬于以下幾類：梭菌屬（Clostridium），產堿菌（Alcaligenes），腸球菌（Enterococcus），都已經從MFCs中分離出來。此外，在獨立發酵實驗中，觀察到在無氧條件下MFC富集培養時，有豐富的氫氣產生，這一現象也進一步的支持和驗證這一通路。

發酵的產物，如乙酸，在低陽極電勢的情況下也能夠被諸如泥菌屬等厭氧菌氧化，它們能夠在MFC的環境中奪取乙酸中的電子。

代謝途徑的差異與已觀測到的氧化還原電勢的數據一起，為我們一窺微生物電動力學提供了一個深入的窗口。一個在外部電阻很低的情況下運轉的MFC，在剛開始在生物量積累時期只產生很低的電流，因此具有高的陽極電勢（即低的MFC電池電勢）。這是對于兼性好氧菌和厭氧菌的選擇的結果。經過培養生長，它的代謝轉換率，體現為電流水平，將升高。所產生的這種適中的陽極電勢水平將有利于那些適應低氧化的兼性厭氧微生物生長。然而此時，專性厭氧型微生物仍然會受到陽極倉內存在的氧化電勢，同時也可能受到跨膜滲透過來的氧氣影響，而處于生長受抑的狀態。如果外部使用高電阻時，陽極電勢將會變低，甚至只維持微弱的電流水平。在那種情況下，將只能選擇適應低氧化的兼性厭氧微生物以及專性厭氧微生物，使對細菌種類的選擇的可能性被局限了。 電子向電極的傳遞需要一個物理性的傳遞系統以完成電池外部的電子轉移。這一目的既可以通過使用可溶性的電子穿梭體，也可以通過膜結合的電子穿梭復合體。

氧化性的、膜結合的電子傳遞被認為是通過組成呼吸鏈的復合體完成的。已知細菌利用這一通路的例子有Geobacter metallireducens 、嗜水氣單胞菌（Aeromonas hydrophila）以及Rhodoferax ferrireducens。決定一個組分是否能發揮類似電子門控通道的主要要求在于，它的原子空間結構相位的易接近性（即物理上能與電子供體和受體發生相互作用）。門控的勢能與陽極的高低關系則將決定實際上是否能夠使用這一門控（電子不能傳遞給一個更還原的電極）。

MFCs中鑒定出的許多發酵性的微生物都具有某一種氫化酶，例如布氏梭菌和微腸球菌。氫化酶可能直接參加了電子向電極的轉移過程。最近，這一關于電子傳遞方法的設想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必須結合可移動的氧化穿梭體。它們展示了氫化酶在還原細菌表面的中性紅的過程中扮演了某一角色。

細菌可以使用可溶性的組分將電子從一個細胞（內）的化合物轉移到電極的表面，同時伴隨著這一化合物的氧化。在很多研究中，都向反應器中添加氧化型中間體比如中性紅，勞氏紫（thionin）和甲基紫蘿堿（viologen）。經驗表明這些中間體的添加通常都是很關鍵的。但是，細菌也能夠自己制造這些氧化中間體，通過兩種途徑：通過制造有機的、可以被可逆的還原化合物（次級代謝物），和通過制造可以被氧化的代謝中間物（初級代謝物）。

第一種途徑體現在很多種類的細菌中，例如腐敗謝瓦納拉菌（Shewanella putrefaciens）以及銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）。近期的研究表明這些微生物的代謝中間物影響著MFCs的性能，甚至普遍干擾了胞外電子的傳遞過程。失活銅綠假單胞菌的MFC中的這些與代謝中間體產生相關的基因，可以將產生的電流單獨降低到原來的二十分之一。由一種細菌制造的氧化型代謝中間體也能夠被其他種類的細菌在向電極傳遞電子的過程中所利用。

通過第二種途徑細菌能夠制造還原型的代謝中間體——但還是需要利用初級代謝中間物——使用代謝中間物如Ha或者HgS作為媒介。Schroder等利用E.coli K12產生氫氣，并將浸泡在生物反應器中的由聚苯胺保護的鉑催化電極處進行再氧化。通過這種方法他們獲得了高達1.5mA/cm2（A，安培）的電流密度，這在之前是做不到。相似的，Straub和Schink發表了利用Sulfurospirillum deleyianum將硫還原至硫化物，然后再由鐵重氧化為氧化程度更高的中間物。