利用异化金属还原菌构建含糖微生物燃料电池

微生物燃料电池构造研究进展微生物燃料电池构造研究进展微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物代谢活性将有机物（如废水、污泥等）转化为电能的技术。

该技术的发展为废弃物的处理和能源获取提供了一种新颖的途径。

近年来，微生物燃料电池在研究和应用中取得了一系列的进展。

首先，关于微生物燃料电池构造的研究重点主要包括电极材料、微生物群落和电子中介物的选取等方面。

电极是微生物燃料电池的重要组成部分，其材料的选择直接影响到能量转化效率和稳定性。

常用的电极材料包括碳纳米管、氧化物和导电聚合物等，这些材料具有良好的导电性和生物相容性。

同时，为了提高电极的催化活性，研究人员还引入了纳米颗粒、催化剂等辅助材料，进一步提高电极的性能。

其次，微生物群落在微生物燃料电池中起到了重要的作用。

选择合适的微生物能够提高电子转移效率和电能输出。

其中，传统的微生物群落主要包括脱氢菌和电化学活性菌等。

脱氢菌通过酶的作用将有机物氧化为电子和质子，而电化学活性菌则利用电子和质子来还原氧化剂，完成电路中的电子传递。

最近，一些研究者正在探索采用基因工程方法改造微生物群落，以进一步提高微生物燃料电池的性能。

如利用基因工程技术，可以使微生物产生更多的电子中转蛋白，从而增加电极和电子转移酶之间的接触面积，提高转移效率。

第三，电子中介物的选择对微生物燃料电池的效率也有重要影响。

传统的电子中介物主要是存在于电极材料上的红外物质。

这些红外物质能够帮助电子从微生物细胞中释放出来，并在电极表面进行直接传递。

但是，这些电子中介物的使用可能存在环境污染的问题。

因此，研究人员开始探索更加环保和可再生的电子中介物。

如最近的研究表明，微生物本身也具有一定的电子传导能力，因此可以利用微生物自身来完成电子传递，减少对传统电子中介物的依赖。

此外，还有一些研究致力于提高微生物燃料电池的稳定性和可持续性。

长期运行过程中，微生物燃料电池常常会受到微生物代谢活性的下降和电极材料的腐蚀等问题。

生物燃料电池的发展及应用一、前言在我们的生活中，许多设备、机器都需要能源的供应。

在传统的能源供应方式中，以石油、煤炭等化石能源为主，但是这些资源的开采和利用对环境的破坏是不可忽视的。

随着能源危机的日益加深和环境问题的愈演愈烈，人们开始不断寻找新的、更加环保的能源供应方式。

生物燃料电池的出现就是这样一个尝试，本文将介绍生物燃料电池的发展和应用。

二、生物燃料电池的概括生物燃料电池是一种利用活性生物质（如葡萄糖、氨、甲烷等）或废物（如厨余垃圾、污水等）在特定条件下进行氧化还原反应，产生电能的设备。

生物燃料电池通常由两个电极和介质组成，活性生物质被氧化还原后会散发出电子，然后通过电极和介质之间的连接传递到另一个电极，从而产生电流。

三、生物燃料电池的历史早在20世纪60年代，生物燃料电池的概念就已经被提出。

但由于当时的技术水平限制，生物燃料电池并没有得以广泛应用。

随着时间的推移和技术的不断更新，生物燃料电池逐渐得到发展。

1976年，来自英国的John Bockris教授和Claire Slade教授发明了第一个生物燃料电池，利用酪酸盐氧化还原反应实现能量转换。

随后，学者们利用酶催化电极上的氧化还原反应，并开发了以葡萄糖、脂肪酸等为原料的生物燃料电池。

20世纪80年代，研究人员开始尝试利用微生物实现生物燃料电池的工作。

1996年，Derek R. Lovley博士成功地利用铁还原菌作为电极的还原体，开发出第一台微生物生物燃料电池。

之后，微生物生物燃料电池得到了越来越多的研究。

目前生物燃料电池已经成为一种商业化的技术，ARPA-E和欧盟委员会都将其列为重点研究领域。

四、生物燃料电池的分类和原理四种常见的生物燃料电池类型包括：直接生物燃料电池、间接生物燃料电池、微生物燃料电池和纳米发电机。

1、直接生物燃料电池直接生物燃料电池是指直接使用生物质作为燃料，在电极上直接氧化还原产生电能。

该电池主要靠生物质氧化作用产生电子和质子，在阳极上对电极产生电位差，然后通过电子传导到阴极上与氧气还原为水，完成电荷平衡。

Development of Energy ScienceNovember 2014, Volume 2, Issue 4, PP.39-46 Research Advances in Microbial Electron Transfer of Bio-electrochemical SystemYunshu Zhang, Qingliang Zhao #, Wei LiSchool of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China#Email:**************.cnAbstractBio-electrochemical system (BES) was an emerging biomass-energy recovery technology based on electricigens electron transfer (EET), which was applied to recover electric energy (e.g. microbial fuel cell, MFC) and resources (such as hydrogen and methane) and to enhance the removal of heavy metals and refractory organic pollutants (e.g. POPs). The process of electron transfer to the electrode was identified as the key process in such a BES system. In this paper, the recent research achievements about EET both at home and abroad were analyzed and summarized, and the electricigen diversity, the electron transfer pathways and study methods were systematically presented. Finally, the direction of EET research was pointed out.Keywords: Bio-electrochemical System; Microbial Fuel Cell; Electricigens; Electricigen Electron Transfer生物电化学系统中微生物电子传递的研究进展*张云澍，赵庆良，李伟哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨 150090摘要：生物电化学系统（bio-electrochemical system，BES）是一种新兴的以产电微生物电子传递（EET）为基础的生物质能源回收技术，可用于电能（如微生物燃料电池）和资源回收（包括氢气和甲烷等），此外还可用于强化重金属与难降解有机污染物（如POPs）的去除，而其中产电微生物将产生的电子传递到电极是BES的重要过程。

微生物燃料电池系统去除土壤中重金属作者：彭西来源：《科技信息·上旬刊》2017年第10期1.研究的目的和意义1.1研究背景土壤作为陆地生态系统重要组成部分，是食物安全与人体健康的基本保障。

近年来，由于工、农业等影响造成土壤污染程度日益加重，我国土壤环境面临较重的重金属污染问题，主要包括铬、镉、铅、汞、砷、铜、锌和镍等重金属含量超标。

据报道，我国约有1/5的耕地（2000万hm2）受到Cd、Ph等重金属的污染，导致年均1000多万t粮食减产。

面对土壤污染的严峻形势，如何治理土壤重金属污染已成为当今生态和环境科学领域研究的热点。

为了实现可持续发展，迫切需要研究可行的土壤重金属污染修复技术。

土壤重金属污染修复是指利用物理、化学或生物方法将土壤中重金属清除出土体或将其固定在土壤，以降低重金属迁移性和生物有效性。

1.2.研究的目的及意义随着经济发展，各行业在生产过程中造成大量的重金属污染物通过各种途径进入到土壤当中造成土壤中重金属污染日益加重。

而微生物燃料电池作为新兴的技术，正被用于去除重金属中，微生物燃料电池具有产能同时去除重金属，无二次污染等优点，应用前景广阔。

2.国内外在该方向的研究现状及分析2.1传统土壤重金属去除方法研究进展国内外根据采用方法与原理的不同，将土壤重金属修复的方法主要分为工程措施（物理和物理化学修复）、化学修复和生物修复，以及综合修复，围绕这三种治理途径，已相应地提出各自的物理、化学和生物治理方法。

物理修复方法：（1）换土法，该方法包括两种途径，一是将污染土壤部分或全部换成干净土壤，二是在被污染的土壤上覆盖一层未受污染的土壤。

但是该方法只适用于小面积污染严重的土壤治理。

（2）热处理法，该方法主要用于修复被汞和砷等重金属污染的土壤，其原理是利用电磁波产生的热能对受重金属污染的土壤进行加热，将污染物从土壤胶体中解吸出来。

但能耗较高。

（3）电动修复法，电动修复重金属污染土壤主要原理是，在受污染的土壤两端施加直流电场，利用土壤颗粒表面的双电层通过电迁移、电泳等方式，将土壤中的重金属污染物带到电极两端，由电极两端导出的重金属污染物，但将其运用于大规模污染土壤修复时可行性较低。

微生物燃料电池摘要：微生物燃料电池的研究集中于产电细菌、电极材料和电池反应器构型等方面,同时,微生物燃料电池在废水处理、生物修复等方面具有广阔的应用前景。

本文介绍了微生物燃料电池的原理、影响微生物燃料电池的因素及近几年微生物燃料电池在环境污染治理中的研究进展。

关键词：微生物燃料电池双室质子交换膜微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是利用微生物的催化作用将废弃物中碳水化合物的化学能转化为电能的一种装置[1]。

MFC 是一种清洁能源，符合循环经济、清洁生产和可持续发展的要求。

随着微生物、电化学及材料等学科的发展，MFC 的结构和性能不断改善[2]，逐步向环境领域扩展。

MFC的构造在双室[3]的基础上出现了单室[4]及升流式MFC[5]，底物由单一小分子有机物，如醋酸钠[3]、葡萄糖[4]，转向大分子混合有机物，如氯酚废水[6]、秸秆废水[7]、啤酒废水[8]等。

本文对MFC的工作原理、构造态进行了讨论，对提高MFC性能的途径和方法进行了整合。

1MFC工作原理及结构1.1MFC工作原理微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂,降解有机物(葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等) 产生电子和质子。

产生的电子传递到阳极,经外电路到达阴极,由此产生外电流;产生的质子通过分隔材料(质子交换膜(PEM) 或盐桥) 或直接通过电解液到达阴极,在阴极与电子、氧化物(铁氰化钾、氧气等) 发生还原反应,从而完成电池内部电荷的传递[9]。

而MFC另外一个重要的过程就是电子的转移(图1)[10]。

目前学术界普遍接受的观点有三种：（1）细胞膜：该机理认为，生长在电极表面的细菌只有将细胞膜接触到电极的表面，代谢过程产生的电子才能通过细胞膜中的细胞色素传导到电极上[11]。

有机物在细菌体内代谢，通过同化作用生成细胞体，异化作用生成CO2，释放的电子通过细胞色素传导到电极表面。

直接电子转移需要微生物拥有膜连接电子运输蛋白质中间体，这种中间体能够将电子从细胞内部转移到外部，进而达到固态电子受体表面。

微生物燃料电池技术装置
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用微生物将有机物质氧化为电能的技术装置。

它由两个电极（阴极和阳极）、一个离子交换膜和微生物群落组成。

装置的工作原理是：在阳极上，微生物通过氧化底层有机物质（如废水、有机废弃物等），释放出电子和质子。

电子通过外部电路流向阴极，形成电流。

而质子则通过离子交换膜传递到阴极上，在与氧气结合后生成水。

这样就实现了将微生物代谢产生的能量转化为电能。

微生物燃料电池技术装置具有以下优势：
1. 可再生能源：微生物通过氧化有机废物产生的电能是可再生的，因为有机物质可以不断供应。

2. 环境友好：与传统燃料电池相比，微生物燃料电池不需要使用昂贵的催化剂，也不会产生二氧化碳等有害气体。

3. 应用广泛：微生物燃料电池可以应用于废水处理、能源回收、生物传感器等领域。

它们可以处理废弃物并同时产生电能。

4. 可持续发展：由于微生物燃料电池能够从有机物质中提取能量，
因此它具有较长的寿命和稳定性。

虽然微生物燃料电池技术还存在一些挑战，如低能量转换效率和高成本，但随着科学家们对微生物群落和电化学反应的深入研究，相信将来会有更多的创新和改进，使得这项技术在可再生能源领域发挥更大的作用。

天津大学学生团队研制出高效混菌微生物
燃料电池
天津大学学生团队研制出高效混菌微生物燃料电池
天津大学化工学院学生团队研发出的成果——高效混菌微生物燃料电池，日前获得2015国际遗传工程机器设计竞赛（iGEM）金奖及该赛事BestEnergyProject单项奖。

目前，国内外研制单一菌种微生物燃料电池较多，但由于产电菌自身代谢能力有限、培养条件苛刻等，导致电池产电效率低。

天大的微生物燃料电池选取混合菌群体系，利用基因工程对菌株进行改造，使混菌体系不仅共生，还能高效协同。

经过逐步技术优化，将能生产出同锂电池电量相同的电输出。

据悉，天大研制的这款电池目前能持续高效产电超过80小时。