微生物燃料电池在土壤修复中的应用探讨

翁群强 谷林涛 朱成杰

摘 要：本文从微生物燃料电池的基本特点出发，对其修复土壤的原理进行了阐述，从修复有机污染土壤和修复重金属污染土壤两个方面对其应用进展进行了讨论。

关键词：微生物；燃料电池；土壤；修复；有机污染；重金属污染

1 微生物燃料电池的特点概述

微生物燃料电池是一种新型的能量转化平台，布置于土壤中能够有效的进行化学能向电能的单向转化，土壤中含有大量的有机物和无机物，这些物质中都存在化学能，借助于微生物燃料电池可以将土壤中存在的化学能转化为电能。一方面消耗了土壤中的有机物和无机物从而减少污染，另一方面还能产生部分电能，因此无论从生态环保角度还是从生物发电角度来看都有广泛的应用前景。

随着社会发展和科学技术的进步，人们的生活对能源产生了强烈的依赖性，过度的能源消耗也造成环境污染加剧，我国是一个发展中国家，对能源的消耗量也处于世界前列，由于相应的生物技术和环保理念并不先进，导致我国在发展过程中也遇到了很严重的环境问题。假设我国的能源消耗速度不变，生产速度也保持稳定，到2020年我国的能源就会出现较大的应用缺口。

通常对土壤进行修复时采用的方法多数属于物理修复方法和化学修复方法两类，例如换土法、热处理法以及淋溶法等，大量的土壤修复实例表明，上述两种土壤修复方法能够直接、快速的修复土壤问题，土壤情况改善速度很快，对于各种土壤问题的针对性很强，修复土壤时所进行的資金投入也较大。当采用化学法进行修复时还要考虑投入化学药剂的投入量以及药剂的回收问题，以防止药剂量过大或者回收不及时导致的化学药剂二次污染。因此科研学者不断的进行微生物燃料电池的研发和应用尝试，微生物燃料电池是一种能够显著降低土壤修复成本的工具。

微生物燃料电池的反应效率很高，无需苛刻的反应条件，具有非常优异的生物相容性，在反应过程中能够发生能量转化，转化的产物是电能，因此既实现了节能环保的目的又能够在土壤修复的过程中为人们的生活创造额外的能源。

2 微生物燃料电池修复土壤的原理

微生物燃料电池的发电过程主要依靠电极表面能够产生电能的细菌作为反应催化剂，在产电细菌的催化作用下，土壤中的化合物能够逐渐发生反应将自身的化学能转化为电能。各种糖、酸、盐以及生活废水等含有有机物的污染物质在阳极降解并产生质子和电子，电子通过外电路向阴极运动而产生外电流，质子则由质子交换膜一条路线向阴极运动，在阴极完成还原反应后全部电荷传递过程结束。

对微生物燃料电池进行分类时有两种分类的依据，其一是按照不同营养类型的微生物进行分类，其二是按照微生物燃料电池的外观进行分类。按照不同营养类型分类时能够将其分为三种，第一种是异养型微生物燃料电池，这种燃料电池电极上的产电细菌是厌氧菌，厌氧菌可以分解有机物产生电能；第二种是光能异养型微生物燃料电池，这种燃料电池电极上的细菌则为光能异养菌，这种类型的产能细菌需要借助光能才能催化碳源的反应；第三种是沉淀物型微生物燃料电池，这种燃料电池是借助电势差产生电能的，沉淀物和液相之间存在电势差，而这种电势差就是产生电能的直接来源。根据外形对微生物燃料电池进行分类时通常分为单室、双室以及三室微生物燃料电池。

3 微生物燃料电池修复污染土壤的应用进展探讨

3.1修复有机污染土壤

有机污染的土壤中含有一定量的石油烃类物质、苯酚以及氮杂环化合物等，而经过多年的研究和应用表明微生物燃料电池在进行土壤修复时其修复能力也较为有限，制约微生物燃料电池修复土壤能力的主要环节就是燃料电池的电机上存在的微生物种类和数量。YU等人对微生物燃料电池产电细菌的聚集位置以及种类进行了大量研究，研究表明产电细菌多居于微生物燃料电池的阳极表面，在对多环的芳香烃进行去除时受到电极之间的间距影响较大。当电极之间的间距逐渐减小时，微生物燃料电池的产电量也逐渐增加，多环芳香烃的去除率提升，这是由于当电极之间的间距大于4厘米而不超过10厘米时，电流足以对细菌生长起到强烈的刺激作用，细菌的生长速度和总数量都显著增加，因此产电量和有机污染物的去除率也随之增加。

3.2修复重金属土壤污染

土壤中的重金属污染具有较为明显的地区性特点，在金属冶炼工厂附近、矿石开采企业周边以及金属制品厂周围都存在较为严重的重金属土壤污染情况。重金属污染与有机物污染有着明显区别，这种类型的污染源不容易被降解，相对于其他的污染源还具有更强的毒性，随着时间的推移重金属污染如果不能得到有效治理则会不断的产生累积效应，使得土壤状态急剧下降。起初利用微生物燃料电池治理重金属污染时应用于水中铬污染的治理，HABIBUL等人通过对微生物燃料电池的改进应用于土壤中铬污染的治理。

经过大量的实验研究他们发现，利用微生物燃料电池对土壤中铬污染进行去除时效果令人满意，最高去除率可以达到99%。值得注意的是，土壤中铬污染的去除率与铬的初始浓度有较大的关联，土壤中铬初始浓度大时铬的去除率也较大，当土壤中铬去初始浓度较小时铬的去除率也较小。除此之外，在利用微生物燃料电池对土壤中的铬进行去除时还要考虑不同的土壤类型以及外部电阻带来的影响。

4 结语

微生物燃料电池修复污染土壤大部分以实验室异位修复为主，在全球超大面积污染土壤面前显得杯水车薪。如何将微生物燃料电池应用于大面积污染土壤的修复是下一步研究的焦点问题。

参考文献

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作者简介：

翁群强 性别：男 学历：本科 现有职称：中级工程师