东华理工大学毕业论文
题目：微生物燃料电池
学生姓名：谢世拥
班级： 0 9 6 2 1 1
学号： 0 9 6 2 1 1 4 0
专业：生物技术及应用
指导老师：于梁梁
职称：助教
东华理工大学高等职业技术学院
二O一二年五月十日
微生物燃料电池
摘要: 解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可持续发展的两大根本性问题。微生物燃料电池（MFC）是利用微生物作为生物
催化剂将碳水化合物转化为电能的装置,生活和工业污废水中含有的丰富有机物就可以作为其原料来源 ,从中直接获取电能。本论文结合近几年微生物燃料电池的研究进展，对微生物燃料电池的电子传递机制、产电性能影响因素和解决方法、发展方向及研究进展、应用及其展望进行了系统地评述，并展望了微生物燃料电池的应用前景。
关键字：微生物燃料电池；电子传递；质子；生物传感器；
沉积物；生物修复
Abstract:To solve the increasingly serious environmental pollution problems and to explore new energy is the society to complete the sustainable development of the two fundamental issues. The microbial fuel cell is the use of microorganisms as a biological catalyst, the conversion of carbohydrates contained in the electrical energy, domestic and industrial sewage and waste rich in organic matter as a source of raw materials from direct access to electricity. Combination of research progress in recent years, microbial fuel cell, the electron transfer mechanism of the microbial fuel cell, producing electrical properties influencing factors and solutions, direction and progress in research, application and Prospects of a systematic overview.
Keywords: microbial fuel cell (MFC); electron transfer; proton; energy;
目录
引言 (4)
1.微生物燃料电池的概述 (4)
1.1 微生物燃料电池的起源与发展历程 (4)
1.2 微生物燃料电池的特性 (5)
1.3 微生物燃料电池的分类 (6)
2. 微生物燃料电池的工作原理 (8)
2.1 微生物燃料电池的产电过程 (9)
2.2 微生物燃料电池的代谢机制 (9)
2.3 微生物燃料电池的电子传递机制 (10)
3. 微生物燃料电池产电性能的影响因素 (11)
3.1 MFC产电性能的制约因素 (11)
3.2 从性能制约因素考虑MFC设计 (13)
4. 微生物燃料电池的发展方向及研究进展 (14)
4.1 微生物燃料电池的发展方向 (14)
4.2 微生物燃料电池的研究进展 (15)
5. 微生物燃料电池的应用与发展前景 (15)
5.1 替代能源 (16)
5.2 微生物燃料电池在污水处理中的应用 (16)
5.3 沉积物微生物燃料电池 (17)
5.4 微生物传感器的开发 (17)
5.5 微生物燃料电池生物修复技术 (18)
结束语 (19)
参考文献 (20)
引言
能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础，也是直接影响经济发展的一个重要制约因素。能源的开发和利用，给人类带来了巨大进步，随着社会的发展，人类对能源的需求飞速增长。煤、石油和天然气是世界主要能源，是不可再生的能源，它们所提供能源约占世界能源的五分之四，而且目前每年以3％的幅度在持续增长，预计到2020年会增加近2倍，2025年将增加近3倍，然而这类能源在利用中引发的环境污染问题，严重威胁着人类的身体健康。寻找绿色能源成为人类社会发展中必须解决的主要议题。
在未来几十年中，能源问题将极大地影响社会的经济发展和人类的生活方式，解决能源问题的方式之一是加大对可再生能源的研究与开发的力度．利用微生物代谢过程与电极反应相结合的微生物燃料电池的研发为可再生能源生产和废弃物处理提供一条新途径。因此 ,微生物燃料电池的研究已经成为治理和消除环境污染源 ,开发新型能源研究工作者的关注热点。
1. 微生物燃料电池的概述
1.1 微生物燃料电池的起源与发展历程
1911年，英国植物学家 Potter 在把酵母或者大肠杆菌放入含有葡萄糖的培养基中进行厌氧培养，其产物能在铂电极上显示 0.3-0.5V 的开路电压和0.2mA 的电流【19】。这被视为微生物燃料电池研究的开端。
40多年后，美国空间科学研究带动了微生物燃料电池的发展，使得微生物燃料电池的研究有了长足的进展。基于当时研究的目标是开发一种用于空间飞行器中、以宇航员生活废物为原料的微生物燃料电池。先利用微生物发酵产生氢气或其它能作为燃料的物质，然后再将这些物质通入燃料电池发电，这类电池成为间接微生物燃料电池。这一时期，微生物燃料电池的研究得以全面展开，还出现了多种其他类型的电池。进入80年代后，对于微生物燃料电池的研究又活跃起来，采用氧化还原介体的微生物燃料电池的研究全面开展。氧化还原介体的广泛应用，使微生物燃料电池的输出功率密度有了很大提高，显示了它作为小功率密度电源的可能性。但由于介体昂贵并且部分具有毒性，阻碍了微生物燃料电池的进一步发展。
在分离产电菌的同时，也有很多学者致力于混合菌群无介体微生物燃料电池的微生物分子生态学研究。韩国科学技术学院的Phung等人用变性梯度凝胶电泳(DGGE)证明电化学活性的贫营养微生物可以被富集，并且他们不同于富营养状态下的产电微生物。他们从包含PCR产物的E．coli DH5a克隆体中随机提取1500bp 的16S rDNA，做限制性酶切片段多态性(RFLP)来选择不同的克隆体【12】，构建了贫营养状态下培养的微生物燃料电池阳极微生物简化系统发育树。
从 1960 年一直到最近几年发现能直接传递电子的微生物的几十年间，人们一直认为添加外源性电子传递中间体是微生物燃料电池产生可观电量的必要步骤。Kim等发现某些微生物的存在可实现无外源性电子传递中间体即可传递电子。这使得降低传统的微生物燃料电池因投加具有低电位物质作为微生物电子传递中间体造成的高昂运行费用成为可能【8】。这一研究成果又一次推动了微生物燃料电池的快速发展。
现在看来，微生物燃料电池的原料范围已大大拓宽，从最初以葡萄糖、醋酸钠、甲醇、乙醇等纯净物为燃料，到以生活污水、食品加工废水、淀粉厂出水、填埋场垃圾渗滤液、畜禽废水等废弃物为燃料。早期的微生物燃料电池的功率密度非常低，仅为 0.1 mWm2。最近的研究结果显示，在阴极以氧气为最终电子受体的微生物燃料电池中，最大功率密度已达到 1500mWm2以上；在阳极使用氰化铁时，甚至可达到 4.31Wm2【6】.
1.2 微生物燃料电池的特性
微生物燃料电池比其它能源利用有以下优势：直接将底物的化学能转化为电能，能量利用率高；原料广泛，理论上任何有机物都可以作为微生物的底物；操作条件温和，微生物燃料电池可以在常温常压下运行；可利用生物废物、有机物发电，主要产生二氧化碳，环保无污染，生物相容性好；微生物燃料电池并不像常规的电池那样，在使用了一定时间以后需要充电才能继续使用，每次利用很短的时间补充底物微生物燃料电池就可以继续工作。
1.3 微生物燃料电池的分类
微生物燃料电池：利用整个微生物细胞作催化剂，依靠合适的电子传递介体在生物组分和电极之间进行有效的电子传递的装置【5】。根据电子传递方式进行分类，微生物燃料电池可分为直接的和间接的。所谓直接的是指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应；如果燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。
依据微生物电池系统中的微生物的营养类型，微生物燃料电池可分为异养型、光能异养型和沉积物型。异养微生物燃料电池是指厌氧菌代谢有机底物产生电能；光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌(例如，藻青菌)利用光能和碳源作底物，以电极作为电子受体输出电能；沉积物微生物燃料电池是微生物利用沉积物相与液相间的电势差产生电能。
从反应器外型上可分为两类：一类是双室微生物燃料电池，另一种是单室微生物燃料电池。双室微生物燃料电池构造简单，易于改变运行条件(如极板间距，
膜材料，阴阳极板材料等)。单室微生物燃料电池则更接近于化学燃料电池，阴极不需要曝气，阴阳极板之间可以不加质子交换膜，但库仑效率一般都很低，只有30％。两室微生物燃料电池又分为矩形式、双瓶式、平盘式及升流式等。
依据电子从细菌到电极转移方式的不同，微生物燃料电池可分为有介体微生物燃料电池和无介体微生物燃料电池。微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，对电子传递造成很大阻力，需要借助介体将电子从呼吸链及内部代谢物中转移到阳极，这类称为这类MFC称为有介体微生物燃料电池。所谓无介体微生物燃料电池，是指微生物燃料电池中的细菌能分泌细胞色素、醌类等电子传递体，可将电子由细胞膜内转移到电极上。
2. MFC工作原理
在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递【3】，并通过外路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水【5】，MFC的工作流程如下图所示。
2.1 MFC的产电过程
MFC的基本产电原理由5个步骤组成：①底物生物氧化，底物于阳极室在微生物作用下被氧化，产生电子、质子及代谢产物；②阳极还原，产生的电子从微生物细胞传递至阳极表面，使电极还原；③外电路电子传输，电子经由外电路到达阴极；④质子迁移，产生的质子从阳极室迁移至阴极室，到达阴极表面；⑤阴极反应，在阴极室中的氧化态物质即电子受体(如氧气等)与阳极传递来的质子和电子于阴极表面发生还原反应，氧化态物质被还原【4】。电子不断产生、传递、流动形成电流，完成产电过程。
2.2 MFC的代谢机制
为了衡量细菌的发电能力，控制微生物电子和质子流的代谢途径必须要确定下来。除去底物的影响之外，电池阳极的势能也将决定细菌的代谢。增加MFC 的电流会降低阳极电势，导致细菌将电子传递给更具还原性的复合物。因此阳极电势将决定细菌最终电子穿梭的氧化还原电势，同时也决定了代谢的类型。根据
阳极势能的不同能够区分一些不同的代谢途径：高氧化还原氧化代谢，中氧化还原到低氧化还原的代谢，以及发酵【10】。
在高阳极电势的情况下，细菌在氧化代谢时能够使用呼吸链。电子及其相伴随的质子传递需要通过NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素。Kim等研究了这条通路的利用情况。他们观察到MFC中电流的产生能够被多种电子呼吸链的抑制剂所阻断。在他们所使用的MFC中，电子传递系统利用NADH脱氢酶，FeS蛋白以及醌作为电子载体，而不使用电子传递链的2号位点或者末端氧化酶【9】。通常观察到，在MFCs的传递过程中需要利用氧化磷酸化作用，使其能量转化效率高达65%。
若存在其它可替代的电子受体，如硫酸盐，会导致阳极电势降低，电子则易于沉积在这些组分上。当使用厌氧淤泥作为接种体时，可以重复性的观察到沼气的产生，提示在这种情况下细菌并未使用阳极。若没有硫酸盐、硝酸盐或者其它电子受体的存在，阳极持续维持低电势则发酵就成为此时的主要代谢过程。例如，
在葡萄糖的发酵过程中，涉及到的可能的反应是：C
6H
12
O
6
+2H
2
O=4H
2
+2CO
2
+2C
2
H
4
O
2
或
C 6H
12
O
6
=2H
2
+2CO
2
+C
4
H
8
O
2
。它表明，从理论上说，六碳底物中最多有三分之一的电
子能够用来产生电流，而其它三分之二的电子则保存在产生的发酵产物中，如乙酸和丁酸盐。总电子量的三分之一用来发电的原因在于氢化酶的性质，它通常使这些电子产生氢气，氢化酶一般位于膜的表面以便于与膜外的可活动的电子穿梭体相接触，或者直接接触在电极上。同重复观察到的现象一致，这一代谢类型也预示着高的乙酸和丁酸盐的产生【9】。一些已知的制造发酵产物的微生物分属于以下几类：梭菌属，产碱菌，肠球菌，都已经从MFC中分离出来。此外，在独立发酵实验中，观察到在无氧条件下MFC富集培养时，有丰富的氢气产生，这一现象也进一步的支持和验证这一通路。发酵的产物，如乙酸，在低阳极电势的情况下也能够被诸如泥菌属等厌氧菌氧化，它们能够在MFC的环境中夺取乙酸中的电子。
2.3 MFC的电子传递机制
电子向电极的传递需要一个物理性的传递系统以完成电池外部的电子转移。这一目的既可以通过使用可溶性的电子穿梭体，也可以通过膜结合的电子穿梭复
合体。 MFCs中鉴定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如布氏梭菌和微肠球菌。氢化酶可能直接参加了电子向电极的转移过程。最近，这一关于电子传递方法的设想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必须结合可移动的氧化穿梭体。它们展示了氢化酶在还原细菌表面的中性红的过程中扮演了某一角色【10】。
细菌可以使用可溶性的组分将电子从一个细胞内的化合物转移到电极的表面，同时伴随着这一化合物的氧化。在很多研究中，都向反应器中添加氧化型中间体比如中性红，劳氏紫和甲基紫萝碱。经验表明这些中间体的添加通常都是很关键的【12】。但是，细菌也能够自己制造这些氧化中间体，通过两种途径：通过制造有机的、可以被可逆的还原化合物（次级代谢物）；通过制造可以被氧化的代谢中间物（初级代谢物）【13】。第一种途径体现在很多种类的细菌中，如腐败谢瓦纳拉菌以及铜绿假单胞菌。近期的研究表明这些微生物的代谢中间物影响着MFCs的性能，甚至普遍干扰了胞外电子的传递过程。失活铜绿假单胞菌的MFC 中的这些与代谢中间体产生相关的基因，可以将产生的电流单独降低到原来的二十分之一【10】。由一种细菌制造的氧化型代谢中间体也能够被其他种类的细菌在向电极传递电子的过程中所利用。通过第二种途径细菌能够制造还原型的代谢中间体，但还是需要利用初级代谢中间物，使用代谢中间物如Ha或者HgS作为媒介。Schroder等利用E.coli K12产生氢气，并将浸泡在生物反应器中的由聚苯胺保护的铂催化电极处进行再氧化。通过这种方法他们获得了高达 1.5mAcm2的电流密度【6】，在这之前是做不到。
3. MFC产电性能的分析
3.1MFC产电性能的制约因素
衡量MFC性能有如下两个指标：①衡量MFC产电能力的指标是产电密度：产电密度=微生物产电功率电极（阳极）面积或电极（阳极）室体积；②衡量MFCs 对污水中底物利用效率的指标则是库仑效率：库仑效率＝实际传递电子总量（有机底物被氧化的）理论传递电子总量【10】。
3.1.1 底物转化的速率
受到如下因素的影响：细菌细胞的总量，反应器中混合和质量传递的现象，细菌的动力学（p-max——细菌的种属特异性最大生长速率，Ks——细菌对于底物的亲和常数），生物量的有机负荷速率（每天每克生物量中的底物克数），质子转运中的质子跨膜效率，以及MFC的总电势【30】。
3.1.2 阳极的超极化与阴极的超电势
一般而言，测量MFC的开放电路电势（OCP）的值为750mV～798mV。影响超极化的参数包括电极表面，电极的电化学性质，电极电势，电极动力学以及MFC 中电子传递和电流的机制【15】。
和阳极上一样，在阴极上同样可以观察到电位的损失。为了避免这个损失，一些研究人员采用投加六氰高铁酸盐溶液【29】。然而，六氰高铁酸盐在空气中并不能被空气完全氧化，因此它只是电子受体而不是介体。为了正常运行，微生物燃料电池的阴极应该为一个敞开的电极。
3.1.3 MFC的内在电阻与传递因素
这一参数既依赖于电极之间的电解液的电阻值，也决定于膜电阻的阻值（Nafion—具有最低的电阻）。对于最优化的运转条件，阳极和阴极需要尽可能的相互接近。还有如下因素对内阻产生影响：PEM、PEM和电极的空间距离、电极间距离、电极表面积。虽然质子的迁移会显著的影响与电阻相关的损失，但是充分的混合将使这些损失最小化【18】。内电阻的微降会显著地提高输出功率，说明其在提高电池的输出功率方面具有重要作用。
反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率是电子传递过程中的主要制约因素。氧作为阴极反应的电子受体最大问题是水中的溶解度低【30】。
3.1.4 质子跨膜转运的性能
目前大部分的微生物燃料电池研究都采用Nafion质子转换膜(PEMs) ，然而Nafion质子转换膜对于(生物)污染是很敏感的，例如铵。而目前最好的结果来自于使用Ultrex阳离子交换膜。Liu等不使用膜，而转用碳纸作为隔离物。虽然这样做显著降低了微生物燃料电池的内在电阻，但是，在有阳极电解液组分存
在的情况下【8】。这一类型的隔离物会刺激阴极电极的生长，并且对于阴极的
催化剂具有毒性。
3.2 从性能制约因素考虑MFC设计
3.2.1 MFC对外放电时电压有以下三种电压损失(极化)
①发生在电极表面的反应速度过慢导致的活化损失【16】；
②电子通过电极材料、各种连接部件以及离子通过电解质和质子膜的阻力引起的欧姆损失【17】；
③电极表面反应物浓度发生变化导致的传质损失。
3.2.2 MFC设计中遇到的技术难点和解决方案
降低动力学因素对MFC影响的解决途径：①选择产电效率高的菌种；②选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在电池中建立这种所谓的共生互利关系，以获得较高的输出功率；③增大阳极的表面积【15】。
MFC设计中遇到的技术难点：MFC阳极需要是三维的，这样就有足够的敏感度。阳极必须要使表面区域所需要的达到最佳化，孔越小，相对反应面积越大，反应速率越快【18】。但孔太小，液态燃料的传送也就成了一个问题；阳极必须支持高效率的电荷转移机制，因此了解之间的相互作用，孔隙度，比表面积，以及电子和质子电导率至关重要。
为了得到最大能量密度，三维电极需要具有多维和多向的孔结构多层面既提供了小孔，以支持酶的稳定和高负荷密度【18】，也提供了大孔以支持液态燃料的传送，多向的结构提供了更大的表面积和通透性。
4. MFC 的发展方向及研究进展
微生物燃料电池自身潜在的优点展示了其良好的发展前景，但作为电源应用于实际生产与生活还比较遥远。其主要原因是输出功率密度与其它电池技术相比存在着数量级上的差距。此外，较之其它电池，制作与运行成本也较高。若微生物燃料电池能降低成本和提高发电效率，将会应用实际生活中。
4.1 MFC 的发展方向
4.1.1 筛选高活性的微生物或选择低(无)毒、廉价的催化剂．介体组合，进一步提高电流和功率密度
多数微生物燃料电池由单一菌种构建【13】。要达到普遍应用的目的，急需发现能够使用广泛有机物作为电子供体的高活性微生物。今后的研究将继续致力于发现和选择这种高活性微生物，试图分离所需菌种。
4.1.2 反应器的设计与优化
在电池的构造方面，现有的微生物燃料电池一般有阴阳两个极室，中间由质子交换膜隔开，这种结构不利于电池的放大。单室设计的微生物燃料电池将质子交换膜缠绕于阴极棒上，置于阳极室，这种结构有利于电池的放大【8】，已用于大规模处理污水。
4.1.3 阴阳极材料的选择与修饰
电能的输出很大程度上受到阴极反应的影响，电量输出往往由于阴极微弱的氧气还原反应以及氧气通过质子交换膜扩散至阳极。特别是对于一些兼性厌氧菌而言，氧气扩散到阳极会严重影响电量的产生，因为这类菌很可能不再以电极为电子受体而以氧气作最终电子受体【16】。对于阴阳极材料的选择继续是微生物燃料电池研究的重点之一。
4.1.4 质子交换膜的改进与寻找替代品
质子交换膜对于维持微生物燃料电池电极两端pH值的平衡、电极反应的正常进行都起到重要的作用。理想的质子交换膜应具有将质子高效率传递到阴极；阻止燃料(底物)或电子受体(氧气)的迁移【8】。但是，通常的情况是，质子交换膜微弱的质子传递能力改变了阴阳极的pH值，从而减弱了微生物活性和电子传递能力，并且阴极质子供给的限制影响了氧气的还原反应【29】。质子交换膜的好坏和性质的革新直接关系到微生物燃料电池的工作效率、产电能力等【6】。目前，研究最多的是Nafion膜，它是一种全氟磺酸质子交换膜，具有较高的离子传导性。但因其成本及氧气扩散的限制而不利于工业化。所以今后将设法提高质子
交换膜的穿透性以及建立非间隔化的微生物燃料电池。
4.2 MFC 的研究进展
1984年，美国制造了一种能在外太空使用的微生物燃料电池，它的燃料为宇航员的尿液和活细菌【1】，不过放电率极低。2004年，Lovely等网研究发现，用MFC处理由葡萄糖和谷氨酸配制的CODc，质量浓度为300 mgL的工污水，CODc，的去除率可达到90％【7】。Jang等用柱塞流蛇形管道电池处理含不同底物的污水【21】，实现了连续处理污水、连续产生电流。在2005年，Logan的小组宣布MFC 有新进展，他们在实验室里产生了72瓦的电流，用以驱动一个小风扇。除了产生电流，给系统另外加上一点电压，还能产生氢气【6】。氢气是一种环境友好的清洁能源，有多种工业用途。
中国科学院成都生物研究所应用与环境微生物中心李大平研究员课题组在
微生物燃料电池的产电机制研究方面取得突破性进展。他们从污染环境中分离出一株嗜碱性假单胞菌，该菌株在碱性条件下能够分解有机物的同时产生电能，最佳pH为9.5。通过研究发现，该菌株在MFC体系中代谢有机物的同时产生吩嗪-1-羧酸介体，该介体起电子穿梭的作用从而实现电子从有机物到电极的传递过程【12】。
5. MFC的应用与发展前景
MFC不仅可以净化水质，还可以发电，废水处理可以说是最具前景的应用方向，也是目前研究最热的课题。就我国来说，目前有一半以上的污水处理厂因经费不足无法正常运行，污水处理的高成本不仅严重制约了污水处理的发展，也直接威胁到人们的健康和安全。采用处理污水则能够在净化污水的同时产生电能，使污水处理有利可图.然而值得注意的是，MFC虽然目前该产品还在不断改进，尚未投入商业化生产，但我们完全有理由相信它拥有广阔的发展前景。
5.1 替代能源
生物质制氢被认为是未来氢燃料电池的原料来源,而MFC与生物质制氢的共同特点是均以生物质作为原料,但在生物质制氢过程中,葡萄糖等生物质中还有
相当部分的氢未被利用,而且氢气还只是从生物质获取能源的中间产品【2】,而MFC 则可以直接将葡萄糖中的氢全部消耗并转化成H
O,生物质转化成能源的效率较
2
高。
迄今为止,虽然已报道的MFC中双池型电池的输出功率密度最大,但由于双池型MFC的阴极为铁氰化钾溶液,需要连续曝气,操作复杂【1】,因此,近几年直接利用空气作为阴极的单池型燃料电池令人关注。2001年,Park等首先报道了用掺Fe3+的石墨为阴极、掺Mn4+的石墨为阳极、陶瓷膜为质子交换膜、活性污泥接种的单池型MFC的性能,该电池的输出功率密度达到788mWm2【3】。自2003年起,Liu 和Booki等报道了以载铂碳布为阴极材料、碳纸为阳极材料的单池型MFC的性能。
通过调整电池结构和各种操作参数,使电池的输出功率密度达1330mWm2【4】。
5.2 MFC在废水处理中的应用
鉴于全球能源短缺及污染的日益严重，MFC绿色技术具有潜在的重要应用前景。无论对发展中国家还是对工业化国家，处理废水同时又能发电的新燃料电池技术都相当诱人。
MFC技术作为一种集污水净化和产电为一体的创新性污水处理与能源回收技术，近年来受到迅速的关注．MFC用于废水处理的优点有：①产生有用的产物——电能，其产生的电流取决于废水浓度和库仑效率【20】；②无需曝气，AS中的曝气消耗了处理厂用电量的50％，不需曝气的空气阴极MFC，在阴极处只需要被动的氧气传递【21】；③减少了固体的产生，MFC技术是一个厌氧工艺，因此，相对于好氧体系(如TF或AS)，产生细菌的生物量将减少【21】，固体处理是昂贵的，应用MFC技术可充分减少固体的产生；④潜在的臭味控制，这是需要在处理实施时仔细规划的部分，省略了，IF所需与空气接触的较大的表面积和AS工艺中大量气流从曝气池底部流出的过程【23】，均可大大降低向周围环境释放的臭味的可能性。
目前，MFC的输出电能密度较低，这导致MFC离实用化尚有一定的距离。因此，国内外研究的重点是提高MFC产电能力，降低成本并优化整体系统。通过对反应器结构的改进和新型高效材料(阳极材料、阴极材料以及质子膜)的研究并应用可提高MFC 的产电和污水净化性能。
5.3 沉积物MFC
把MFC的阳极插在厌氧底泥中，阴极放在含有溶解氧的水面上。海水中的高盐度在MFC的两个电极间可提供很好的离子电导率，而且细菌用来产生电能所需的有机物已经包含在底泥中了。据估计，全球大陆边缘的底泥中含有2％～3％的有机碳(干重)，进入底泥的恒定通量的新碳如果被MFC装置获取可以维持功率在50 mWm2
的水平【24】。沉积物MFC的优点是结构简单，不需要太多的维护，建造和运行费用低。在自然水体中，MFC长期运行会在阴极形成生物膜【26】，可帮助氧气还原反应。但是，沉积物MFC一般都不使用阴极催化剂，且因沉积物中的有机物含量有限，所以其功率输出也很有限。水中溶解氧浓度随着水深不断降低，沉积物MFC不大可能应用于太深的水体中。
据报道，华盛顿大学(圣路易斯)的研究人员设计了一种可旋转的阴电极，可利用水流或者海潮来推动阴极旋转，通过旋转将空气中的氧气带入水中，提高阴极附近的溶解氧浓度【25】。因为输出功率较低，目前沉积物MFC的应用大多是为远程监测仪器提供电能。这类电子设备不需要太高的电能，也不需要频繁地维护．因此，其可能是MFC中最有可能在短期内投入到实际应用中的一种。有报道称，美国海军研究实验室已经研制开发了一种沉积物MFC。这种装置被放置在河水或者海水底部，为监测空气温度、气压、相对湿度和水温的电子仪器提供电能，数据通过无线发射器传输到附近的实验室【26】。
5.4 微生物传感器的开发
因为电流或电量产出和电子供体的量间有一定关系，所以它可用作底
被广泛用于评价污水中可生化降解的有机物含量,但由
物含量的测定。BOD
5
于传统的BOD测定方法需要5天的时间【27】,因此,出现了大量关于BOD传感
器的研究,其中以MFC工作原理为基础的BOD传感器的研究也是研究人员关
注的焦点。利用MFC工作原理开发新型BOD传感器的关键在于:①电池产生
的电流或电荷与污染物的浓度之间呈良好的线性关系【26】；②电池电流对污
水浓度的响应速度较快【23】；③有较好的重复性。
目前,正在研究的MFC型传感器全部为有质子交换膜的双池型结构,电池的阴极多为溶氧的磷酸盐缓冲溶液,阳极为待测的水溶液。Kim等在用自行设计的 BOD 传感器分批测定溶液BOD的浓度时发现,电池转移电荷与污水浓度之间呈明显的线性关系,相关系数达到0.99,标准偏差为3%～12%;电池在低浓度时响应时间少于30min；连续测定BOD质量浓度小于100mgL的溶液时,电流与浓度呈线性关系,3次电流测定的差值小于10%；且当MFC的阳极处于“饥饿”状态后喂养新鲜污水,MFC 的电流能够恢复；当电池中的污水浓度发生变化时,电流需要滞后1ｈ达到稳定【25】。Moon等通过改变污水流动速度和电池阳极容积的方式,使电流响应时间缩短到了5min【22】。
考虑到实际污水中存在硝酸盐和硫酸盐等具有高氧化还原电势的电子受体,它们会降低MFC的电流响应信号,Chang等尝试在阳极池中加入叠氮化物和氰化物等呼吸抑制剂,达到了消除硝酸盐和硫酸盐影响的效果,结果显示,通过加入呼吸抑制剂,使MFC型BOD传感器可用于准确测量含氧和含硝酸盐的贫营养地表水中的BOD含量【27】.
5.5 MFC生物修复技术
利用环境中微生物氧化有机物产生电能，既可以去除有机废物，又可以获得能量。用MFC生物修复技术可进行地下水的修复，其阳极为能够长时间提供能量的颗粒底物(如几丁质)，同时获得电能。细菌通过纳米导线或中介体将电子供给阳极，但电子的转移是可逆的，即细菌能从电极接受电子，使其成为生物阴极。
Gregory等刚使用纯培养和混合培养的Geobacter在完全厌氧的系统中实现了用生物阴极进行原位硝酸盐的生物修复【28】。当存在高浓度的可生物降解的有机物时，也可进行阳极氧化修复。例如，在一个被石油污染的地方，用粒状石墨作阳极，化学物质在阳极被氧化，提供电流到阴极，在阴极，氧气作为电子受体．Jin等使用MFC修复被石油污染的地下水，产生了持续的高达120 mWm2阴极的功率密度【3】。与自然降解速率相比，石油化合物的降解速率明显提高了。
由以上结果可见, MFC作为新型能源开发的主要问题在于需进一步提高电池的输出功率密度及电极电子的传递效率。相信经过深入研究MFC为一些只需要较
小电量就能运行的遥控装置提供能源是可能的。在改善电化学性能的提高电池的输出功率密度和更低的成本，电池还需要继续探索深度。随着研究的不断深入的MFC，MFC应用程序将为期不远工业化。
结束语
高产电微生物的不断被发现，使得 MFC 的内涵发生了根本性的变革，同时也展现了MFC 的广阔应用前景，是目前全球关注热点生物技术之一。但是这一研究正处于起步阶段。预计在不远的将来， MFC的研究将会获得重大突破。如何充分将生物质燃料的诸多优势为人类所用，如何提高热机燃烧、生物转化等的效率，如何使生物质燃料满足现代轻便、高效、长寿命的需要，还需要生物学家、电化学家和工程学家的协手努力。依托生物电化学和生物传感器的研究进展，以及对修饰电极、纳米科学研究的层层深入，微生物燃料电池的研究必将得到更快的发展。
21世纪将会是生物科学高速发展的时代 ,为应对能源危机和实现可持续发展 ,微生物燃料电池必将成为生物产能技术中研究的热点。微生物燃料电池是一种能将产生新能源和解决环境污染问题有机的结合起来的新技术 ,其蕴藏的极大潜力为今后人类充分利用工农业废弃物和城市生活垃圾等生物质资源进行发电提供了广阔的前景。目前 ,虽然要让微生物燃料电池提供更高且稳定的输出功率 ,还有待于相关技术的进一步提高。但完全可以相信 ,随着微生物学和电化学技术的不断发展 ,微生物燃料电池将会成为未来利用各种有机(废)物发电的新技术核心。
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致谢
本篇论文是在老师的精心指导下完成的，从选题到论文内容都给予了我精心的指导和严格的教诲，无论从学术水平还是学术造诣上都使我受益非浅。在这次毕业论文设计中，我第一次亲身尝试到了作为一个缺乏社会实践经验的学生所面临的困难。
在这里我衷心的感谢我的指导老师于梁梁对我的指导和启发。