水稻田运行微生物燃料电池的研究进展

梁雪

摘 要 在水稻田里引入水微生物燃料电池（MFCs）技术还在发展试验阶段，本文综述了当前的发展，并总结了目前仍需解决的问题。

关键词 甲烷 水稻田 微生物燃料电池

中图分类号：X703 文献标识码：A

1引言

为了减缓全球变暖的趋势，温室气体的减排已经引起国际社会的广泛关注。

大气中的甲烷含量已经从工业革命前1750年的0.75 mol·mol-1上升到2005年的1.77 mol·mol-1，升高了约2.5倍，尽管甲烷绝对量显著小于主要的温室气体二氧化碳，但是单位质量的甲烷全球增温趋势是二氧化碳的25倍（IPCC，2007）。研究表明二氧化碳和甲烷的浓度上升对温室效应的总贡献率达到70%左右，二者是温室效应的主要贡献者，并且在大气中的浓度每年以0.5%和0.8%的速度增加。

稻田是甲烷的主要排放源之一，拒估计全球所有的人为活动导致甲烷排放的总量中，从水稻田排放的甲烷约占15%-20%。通过数据的挖掘发现不同类型的湿地甲烷的排放有着显著差异，而甲烷的排放通量均值最大的是稻田，所以如何降低水稻田中甲烷的排放量就成了国内外研究的重点。

微生物燃料电池（MFCs）是一种用产电微生物将有机物的化学能直接转化成电能的装置，有机底物在厌氧条件下被产电微生物分解，释放出电子，电子直接被阳极捕获或者经过电子中介体、纳米导线等物质间接到达阳极，并经由外电路传递到阳极与电子受体（一般是O2）结合，从而形成电流。

2水稻田实施MFCs技术的研究发展

水稻田是实施MFCs技术的重要生境，根据已有实验数据表明，在水稻田里引水MFCs技术可以控制温室气体的排放，因为在水稻田以及湿地中引入MFCs技术后，产电微生物就会与产甲烷微生物形成一种竞争关系，在大多数情况下，产电微生物比产甲烷微生物具有更强的竞争基质的能力，从而可以抑制甲烷的排放，全世界水稻田栽种面积约为15€？09hm2，潜在的年产能能力可以达1.8€？019J。实验结果表明MFCs技术的应用不会对原有的水稻田的生态环境造成影响，也几乎不会对水稻田的产粮功能有任何不利的影响。因此，如果水稻田能够用于产电，这样既能抑制温室气体的排放也可以获得额外的附加效益。

水稻田土壤中含有丰富的产电微生物可以采用运行MFCs装置，在2007年Kaku等人就在水稻田中埋入了石墨毡电极，证明可以持续产电，得到的最大功率密度为6mW·m-2 。近几年的研究中Rosa等人将阳极埋设在种植水稻的淹水稻田土壤中，阳极浸没在淹水层，并且采用导线连接阴历和阳极，从而构建MFCs，以土壤有机质和根系分泌物为电子供体，以水中的溶解氧为电子受体进行产电，并设置对照组。结果显示，运行MFCs以后，稻田土壤中的甲烷排放量比对照组减少了50%。Rismani—Yazdi等将纤维素作为碳源底物置于MFCs中进行产电，发现随着MFC产电电流的增加，甲烷累计排放量降低。运行MFC的优势在于不使用化学药剂也不消耗能源，相反还能产生少量的电能，是一项值得深入探索的绿色可持续的减排技术。

邓欢等人将添加质量分数为0.5%的稻秆的土壤装入MFCs反应器中，淹水并种植水稻后运行MFCs，发现能够显著的减少甲烷的排放。土壤中添加稻秆是出于环保理念，因为我国每年产生的农作物秸秆高达5.7亿吨，秸秆还田能够有效提高土壤有机质，改善土壤团聚体，并且取代秸秆燃烧，避免环境污染，所以秸秆还田也得到大力提倡。添加稻秆使土壤含有更多的有机质，而且MFCs闭路运行，这都有利于产电菌生长和产电能力的提升。在MFCs运行的过程中，产电菌在阳极表面逐渐富集和训化，产电电流逐步提高。经过一段时间后达到峰值，之后产电电流有所降低。主要原因包括可利用有机物碳浓度降低，以及MFCs阳极表面的产电菌在产电过程中厌氧分解有机质产生氢离子，导致土壤中PH值降低，从而抑制了产电菌的活性，以往的研究表明，PH值降低也会抑制产甲烷菌活性。产电菌通过分解有机底物进行产电，从而会与产甲烷菌争夺土壤中有机质，产电菌对有机底物乙酸的亲和系数远低于产甲烷菌，在研究中添加有机底物同步促进了产甲烷菌和产电菌的活性，造成产电菌和产甲烷菌的活性时间重合，从而活跃的产电菌能够有效的抑制甲烷的产生，对于不添加有机底物运行MFCs的装置没有显著减小甲烷排放，可能是由于缺乏有机底物，产电菌活性较低，产电较为微弱，因此和产甲烷菌争夺有机底物的能力稍显不足。而且有机底物较少造成甲烷排放和产电的峰值推迟出现，MFCs运行可能错过了抑制甲烷排放的最佳时期。另外不添加外来有机底物的土壤PH值下降幅度较小，所以土壤抑制产甲烷的效果较差。

3总结

目前还有好多工作需要进一步开展，现在采用MFCs进行温室气体减排的研究较少，尚需要更多的研究证明减排的效果，探索进一步提高减排效果和降低MFCs构建和运行成本的方法。例如需要从源头上找到甲烷排放的影响机理，探索减少甲烷排放的方法；根据已经有的稻田或湿地中建立甲烷排放的预算模型，预测未来水稻田和湿地温室气体的排放通量，为准确评估全球变暖变化趋势提供基础数据；同时还要加强有关影响MFCs性能因素的研究，比如电极材料的优化，燃料电池的结构，传递体以及其他的环境因素对产电效率以及产电量的影响，争取将产电的效能提高到最大化。

参考文献

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[2] 邓欢，蔡旅程，等.水稻田中运行微生物燃料电池的研究[J].环境科学，2016（1）.

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