微生物燃料电池电化学和生物技术研究进展

刘春梅， 徐 斌， 刘建新(河南科技大学车辆与交通工程学院，河南洛阳471003)

微生物燃料电池电化学和生物技术研究进展

刘春梅， 徐 斌， 刘建新
(河南科技大学车辆与交通工程学院，河南洛阳471003)

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是以微生物作为催化剂，将废水中蕴含的化学能转化为电能的新型生物能源利用技术。与微生物相关的生化与电化学反应是决定MFC性能的关键过程。为了探求产电菌的生化与电化学特性，需采用一定的生物与电化学技术进行表征。对MFC中电化学和生物技术的研究进展进行综述，对常用的电化学方法如极化曲线、循环伏安法、内阻的测量进行汇总，对生物技术手段如生物膜的群落分析、生物量的测量以及细菌形态的观察进行论述，对其今后的应用前景进行了展望。

微生物燃料电池；电化学技术；生物技术

微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是利用微生物的催化作用，对废水中的有机物进行降解，将有机物的化学能直接转变为电能的装置[1]。以常见的双室MFC为例，在阳极室，微生物(尤其是附着在电极表面上的微生物)对有机物进行厌氧氧化并降解，产生H+、电子和CO2；微生物细胞内的电子先通过一系列呼吸酶传递给细胞膜外的某些蛋白质 (如C型胞外细胞色素)，再通过不同的胞外电子传递方式传递到阳极表面；电子由外电路到达阴极，H+跨过离子交换膜到达阴极；在阴极电极表面，电子、H+和O2发生还原反应，完成整个氧化还原过程。

目前，与化学燃料电池相比，MFC的功率低了1～2个数量级[2]。MFC中涉及了微生物的生化与电化学反应、电子传递等过程，为一复杂的生化电化学体系，其缓慢的生化与电化学反

本文对应用于MFC中的电化学与生物技术的研究进展进行了综述，以便了解MFC中常用的电化学与生物技术手段，以期通过各种技术手段深入了解MFC中产电菌或者生物膜的产电和生化特性。

1 电化学技术研究现状

1.1极化曲线

极化曲线是表征电池电压或电势与电流关系的曲线。MFC中，可以采用不同的方法获得电池或电极的极化曲线。通过改变外电阻获得的极化曲线，可以在一个周期内改变电池外电阻(单循环方法)或者在一个周期内只采用一个外电阻(多循环模式)[3-4]。极化曲线也可以通过线性伏安扫描法获得[5-6]，但是扫速为1 mV/s时获得的功率比0.1 mV/s时高出了80％。因此若利用线性伏安法获得可靠的极化曲线，应该在低扫速(0.1 mV/s)下进行，以保证测量时体系处于近似稳定状态[4]。

1.2循环伏安法

循环伏安 (cyclic voltammetry，CV)法是一种广泛应用于MFC研究中的电化学技术手段，可以研究细菌的电化学活性和电子传递方式。Liu[7]利用CV方法研究了以污水为接种体，不同阳极材料如石墨棒、多晶碳棒、碳纤维纱、石墨薄片、碳纸等阳极生物膜的电化学活性，结果表明，生长在石墨棒和多晶碳棒的生物膜表现出相似的电催化活性；碳纤维纱和碳纸上的生物膜的电化学活性比石墨棒上的高了40％。Prasad[8]利用CV方法研究了固定在电极上的酵母菌Hansenulaanomola的电子传递方式，从测试结果推断出，此种细菌的胞外细胞膜上存在氧化还原酶，这些酶直接与电极相互作用来传递电子。Richter[9]对生长在碳布阳极上的野生型和变异的Geobacter Sulfurreducens的生物膜进行了CV测试，以确定电子传递过程中起作用的电子介体种类，结果表明，野生型的生物膜是由电子介体组成的导电体，其中C型胞外细胞色素Z(outer membrane c-type cytochrome Z,OmcZ)参与了各向同性的电子传递过程，而C型胞外细胞色素B(OmcB)参与了各向异性的电子传递过程。实验首次证明了Geobacter生物膜利用大量的电子介体来传递电子，并且在胞外电子传递过程中，区分了OmcB和OmcZ的作用。

研究者将CV技术与其他生物方法结合来研究MFC中的生物电化学反应。Millo[10]利用CV和拉曼光谱技术，首次对活性生物膜中的胞外细胞色素进行原位光谱测量，以探查电极表面附近蛋白质中的亚铁红素基因。结果表明，细菌中存在两种细胞色素，其与电极直接进行电子传递。为了评价细菌Geobacter Sulfurreducens产生的氧化还原蛋白质的电化学活性，Liu[11]采用CV技术和紫外/可见光光谱分析进行研究，研究结果证实了C型细胞色素参与的直接电子传递方式是电流产生的原因。

1.3内阻测量

MFC的内阻是影响电池性能的关键因素之一[12]。获得电池内阻的方法有以下几种：极化曲线斜率[13]，功率曲线最大功率点处[12]，电流中断法[14]和电化学阻抗谱法[15-16]。极化曲线斜率可从极化曲线的线性部分获得。在功率密度曲线上，电池的最大功率点处，电池内阻等于外接电阻。电流中断法是快速中断电路(微秒级)，并记录中断前后的电势，根据欧姆定律获得欧姆阻抗的方法。电化学阻抗谱法(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)不仅可以区分不同组成部分的阻抗，而且在极化条件下进行测量，不破坏电极/电解液界面处的平衡状态。

MFC研究中，EIS测试可以在开路和极化条件下进行。Srikanth[16]以细菌Geobacter Sulfurreducens为催化剂，在生物膜附着前后对碳纸阳极进行EIS测试，研究结果表明，当细菌存在时，阳极的极化阻力极大地降低，阳极的电容也大大增加，这可归结为阳极表面存在着导电的生物膜，加快了阳极氧化反应的速率。Ouitrakul[17]对铝、银、镍、不锈钢和碳布等阳极材料进行了EIS测试，结果表明，碳布和银电极表现出低的极化阻力，而其他材料的极化阻力较高。Qiao[18]针对涂有碳纳米管/polyaniline复合涂层的镍泡沫电极进行了EIS测试，结果表明，随着电极表面上碳纳米管载量的增加，阳极极化阻力随之降低。Ramasamy[15]在阳极生物膜的生长阶段进行了EIS测试，经过3周时间，阳极阻力大大降低，表明阳极表面发生的氧化反应的动力性增强了。Borole[19]报道了阳极生物膜形成阶段电极阻抗的变化情况，结果表明，43天运行后，阳极和阴极阻抗均显著减小，且阳极电容有所增加。

在极化条件下进行EIS测试，不仅可以反映运行时MFC内阻的组成，也可以研究不同实验条件对电化学反应的影响。Ramasamy[18]在阳极电极上施加不同的电流密度；Manohar[20]在电池上施加了不同的电压；Borole[19]和Ren[21]在不同的MFC外接电阻下，进行了EIS测试。以上EIS结果表明，随着电池电流的增加、电池电压的降低以及外电阻的减小，电极或者电池的极化阻力随之降低。

研究者也利用EIS技术考察了其它实验条件对MFC中电化学反应的影响。He[22]发现在旋转阴极MFC中，阴极旋转前后，阳极极化阻力从28 Ω增加到65 Ω。这是由于阴极的旋转增加了阳极室中溶解氧的浓度，对细菌的厌氧代谢有负作用。随后，He[23]针对空气阴极MFC，研究了电解液pH对电极反应的影响。结果表明在pH为7的电解液中，阳极阻抗最低；当溶液pH从5增加到10，阴极阻抗随之降低。

除此之外，有研究者利用EIS技术研究生物膜与电极的电子传递方式。Ramasamy[24]首次利用EIS技术研究Shewanella自身分泌的电子介体的电化学特性。

2 生物技术研究现状

2.1生物膜群落分析

MFC中用于分析生物膜群落的方法主要有变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)[25-26]、16S rRNA克隆库方法(16S rRNA clone library method)[27-28]、荧光原位杂交技术(fluorescence in situ hybridization,FISH)[29-30]和聚合酶链式反应技术(polymerase chain reaction，PCR)[31]等。

Kim[25]采用16S rRNA克隆库方法获得的细菌种类与利用DGGE方法获得的细菌种类非常相似。Sun[26]利用16S rRNA克隆库对4种阳极填料材料上的细菌种类进行分析。在石墨活性碳和小立方体碳毡上，细菌Geobacter所占比例最大；在石墨颗粒上，细菌Azospira的数量最多。结果表明石墨活性炭最适应细菌Geobacter的附着和生长。

2.2生物量测定

按照Sun[26]和Wei[28]的研究，电极上活性生物量与MFC功率呈正相关关系。MFC中可以采用不同方法获得电极上的生物量：将样本染色，利用荧光显微镜获得细菌总数[29]，以蛋白质含量来表征生物量[30]，磷脂法获得活性生物量[31-32]。磷脂法最初由Findlay[31]提出，随后由Aelterman[32]改进，用于测量活性细菌中磷脂含量，并通过转换关系最终确定活性细菌的质量。

2.3显微技术

可以利用各种显微镜，如激光共聚焦扫描显微镜(confocal laser scanning microscopy,CLSM)[33-34]、扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)[33-35]、荧光显微镜(epiflourescencemicroscopy,EM)[36-37]、透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)[34,36]、原子力显微镜 (atomic force microscopy, AFM)[37-38]等来观测生物膜的形貌以及细菌的形态。

Franks[33]利用对pH敏感的荧光染色剂将生物膜染色，利用CLSM实时监测了生物膜内pH分布。结果显示，靠近电极处的H+浓度较高；当主流区pH为7.0时，在阳极电极附近的pH为6.1。Kim[34]利用CLSM技术发现，混合菌种是由带负电荷和正电荷的细菌组成，并且这些细菌在电极表面上形成菌落；SEM结果显示电极表面上细菌的尺寸不同，存在一些0.2～0.3 μm的小尺寸细菌；TEM结果表明小尺寸细菌具有双层细胞壁。Read[35]利用CLSM和SEM技术观察到生物膜内细菌活度是不同的，在电极附近，带负电荷和正电荷的细菌活度较高；沿着远离电极方向，活度逐渐降低。Dumas[36]首次利用EM技术，估算了细菌Geobacter Sulfurreducens在石墨和形稳阳极(dimensionally stable anodes，DSA)电极上生物膜内所占比例。Reguera[38]利用AFM观测到G.sulfurreducens产生的纳米导线的结构比S.oneidensis产生的要窄得多。

3 展望

微生物燃料电池中，生物与电化学技术是研究细菌尤其是生物膜的生化与电化学特性的手段。原地且实时的生物与电化学技术是MFC测量技术研究中的一个发展方向，这可以为研究不同操作条件下MFC的性能提供直接而可靠的依据。

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Research progress of electrochemistry and biological technologies in microbial fuel cells

LIU Chun-mei,XU Bin,LIU Jian-xin
(Institute of Vehicle and Motive Power Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan 471003,China)

Microbial fuel cell(MFC)was a new biological energy utilization technology,using microorganisms as catalysts,which could transform chemical energy storing in waste water into electricity.The biochemical and electrochemical reactions related with the bacteria were the key processes to decide the performance of the MFCs.To investigate the chemical and electrochemical characteristics of bacteria,the biological and electrochemical technologies were used in the MFCs.The research progress of the biological and electrochemical technologies in the MFCs was reviewed.The electrochemical technologies adopted in the MFCs such as polarization curves,cyclic voltammetry and internal resistance measurement were summed.And the biological technologies such as community analysis of biofilm,biomass measurement and morphologies of bacteria observation were gathered.Finally, application prospects of those technologies were forecasted.

microbial fuel cell;electrochemical technology;biological technology

TM 911

A

1002-087 X(2016)01-0225-04

2015-06-13

河南科技大学博士启动基金(4003-13480033)；河南科技大学大学生研究训练计划(2015023)

刘春梅(1980—)，女，河南省人，博士，讲师，主要研究方向为微生物燃料电池中关键热物理问题。应是制约性能的关键过程。因此，研究与微生物有关的电子传递过程、细菌的电化学活性以及降解特性很有必要。为了探求产电菌尤其是生物膜的电化学活性和生化特性，需要一定的电化学和生物技术手段进行表征。