基于混菌产电微生物燃料电池的最新研究进展_谢晴.pdf

第 26卷 第 2期 中国给水排水 Vol 26 No 2 2010年 1月CHINAWATER WASTEWATERJan 2010 基于混菌产电微生物燃料电池的最新研究进展 谢 晴 王 彬 冷 庚 杨嘉伟 但德忠 四川大学 建筑与环境学院 四川 成都 610065 摘 要 混菌微生物燃料电池 MFC 是直接利用环境中多种微生物附着于阳极而产电的方 式 相对于纯菌 MFC的前期菌种培养和富集 混菌电池的启动不仅省时且更节约成本 同时其抗环 境冲击的能力也更强 电池稳定性更高 介绍了混菌 MFC的最新研究现状 详细讨论了产电微生 物的种类 电子传递机制 影响混菌 MFC产电效能的主要因素 以及目前存在的问题等 并指出了 混菌 MFC的未来研究重点和方向 关键词 混菌 微生物燃料电池 MFC 电子传递 产电微生物 中图分类号 X703 文献标识码 B 文章编号 1000 4602 2010 02 0009 06 RecentResearchProgressinMicrobialFuelCelBasedonMixedBacteria XIEQing WANGBin LENGGeng YANGJia wei DANDe zhong ColegeofArchitectureandEnvironment SichuanUniversity Chengdu610065 China Abstract Microbialfuelcel MFC basedonmixedbacteriaisanelectrogenicapparatusin whichavarietyofmicroorganismsfromtheenvironmentdirectlyatachtotheanode ComparedwithMFC basedonpurebacteria mixedMFCbasedonbacteriahasshorterstarttime lowercost strongerresist ancetoenvironmentalshockandhigherstability TherecentresearchstatusofMFCbasedonmixedbac teriaisintroduced includingtypesofelectrogenicmicroorganisms electrontransfermechanisms main factorsafectingtheelectricitygenerationandexistingproblems Furthermore thefutureresearchempha sisanddirectionofMFCbasedonmixedbacteriaispresented Keywords mixedbacteria microbialfuelcel MFC electrontransfer electrogenicmi croorganisms 利用天然厌氧环境中的混合菌接种是目前微生 物燃料电池 MFC 研究中最常用的接种形式 该接 种方法对于初级产电微生物的筛选十分重要 相对 于纯菌 混合菌抗环境冲击能力强 可利用基质范围 广 同时可以发挥菌群间的协同作用 增强 MFC运 行的稳定性 提高系统的产电效率 这对微生物燃料 电池的工程实用化有较大的优势 1 环境中存在着大量具有电化学活性的细菌 尤 其是富含微生物的海底沉积物和厌氧活性污泥 大 量研究表明 采用适当的混合菌群接种可以获得与 用纯菌体接种相当的处理效果 2 目前已经有利 用厌氧颗粒污泥 消化污泥 生活污水 厌氧 好氧混 合污泥以及牛胃液等作为接种源成功启动微生物燃 料电池的实例 由于接种源的不同 富集到的微生 物菌群往往有较大差别 目前已报道的可产电的纯 菌种类有限 且对 MFC中混菌的群落结构研究才刚 刚起步 因此对混菌中究竟何种微生物起产电关键 作用还不甚清楚 1 特别是对其中产电细菌与非产 基金项目 四川省科技厅应用基础研究项目 2008JY0042 9 第 26卷 第 2期 中国给水排水 电细菌之间关系的研究还有待进一步深入 地杆菌科 微生物的电子传递机制地杆菌科有很好的遗传背景 属 proteobacte 1 根据已发现且证实的纯菌电子传递方式主要有ria 以 G sulferreducens为例 9 在有机物降解过程 四种 直接接触传递 纳米导线辅助传递 电子穿梭中 可以只用电极作电子受体而完全氧化电子供体 传递和初级代谢产物原位氧化传递 3 7 这四种传在无氧化还原介体的情况下 可以定量转移电子给 递方式可概括为两种机制 前两者为生物膜机制 后电极 这种电子传递归功于吸附在电极上的大量细 两者为电子穿梭机制 胞 由于 G sulfureducens的全基因组序列的测序已 生物膜机制 即微生物在电极表面聚集形成生经完成 所以目前基本都是以 G sulfurreducens为模 物膜 达到直接接触或利用纳米导线辅助转移电子式菌进行 MFC的研究 的目的 是一种无介体电子传递 无介体电子传递 腐败希瓦氏菌 的实现要求微生物细胞膜或膜上某些组件 细胞色希瓦氏菌因其呼吸类型的多样性而得到广泛研 素 醌类等物质 与阳极表面在空间上直接接触究 Kim等 10 采用循环伏安法研究了 S putrefaciens 目前认为以此种方式传递电子的微生物主要有腐败MR 1 S putrefaciensIR21和 SR221 的电化学活性 希瓦氏菌 铁还原红螺菌 地杆菌和嗜水气单胞菌 分别以这几种细菌为催化剂 以乳酸盐为燃料的 等 电子穿梭机制是微生物利用外加或自身分泌的微生物燃料电池 发现不用氧化还原介体 直接加 电子穿梭体 氧化还原介体将代谢产生的电子转入燃料后电池的电势都有明显提高 说明该类细菌 移至电极表面 由于微生物细胞壁的阻碍 多数微是通过细胞膜直接传递电子的 生物自身不能将电子传递到电极上 需借助可溶性 红螺菌 氧化还原介体进行电子传递 常见的外加介体主要红螺菌是一种氧化铁还原微生物 与其他产电 有硫堇甲基紫精2羟基菌相比 其最重要的优势就是它能将糖类物质转化 TH Fe EDTA 1 4 萘琨中性红等另外一些微 为电能 并完全氧化葡萄糖 研究发现铁还原红螺 HNQ NR 谢物如 2 2 等 作为氧化还原介体 高效的产电菌 这将大大推动微生物燃料电池的实 H HS 最近的研究表明 腐败希瓦氏菌和铜绿假单胞用进程 除上述几类细菌外 丁酸梭菌 粪产碱菌 菌等许多微生物生成的次级代谢产物均会影响电子鹑鸡肠球菌和铜绿假单胞菌等也有产电能力 11 12 的胞外传递 4 若这些菌种中负责介体生成的基因总的说来 目前了解的比较高效的产电微生物 失活或钝化 就会造成这类电池电流的大幅下降 主要集中于固体金属氧化物还原菌 它们属于变形 在混合菌产电过程中上述两种机制往往同时菌 革兰氏阴性 这类细菌的自然生长条件与微生物 MFC 存在 协同促进产电过程 8 2 产电微生物的种类 产电微生物从早期的介体型细菌到无介体型 细 菌 再到最近的自介体细菌的发现 表明产电微生物 的种类较分散 来源较广泛 研究表明 产电微生 物 大致来自于细菌域的三个分支 变形菌 酸杆菌和厚 壁菌 1 大肠杆菌 大肠杆菌自身电化学活性很低 需要富集纯培 养 其纯菌种产电的性向单一明了 代谢产生的电子 需要外源中间体的参与才能传递到电极表面 该类 细菌在厌氧条件下均能发酵产氢 主要集中于电子 传递过程中化学介体的选择和菌体 介体组合的研 究 此类菌还包括枯草杆菌 变形菌 脱硫弧菌等 燃料电池的条件类似 电子传递方式也有共同之处 最近的研究发现 一些低 G C革兰氏阳性细菌也 能产电 它们能降解有机物 发酵葡萄糖产酸产气 但不能直接分解糖类 其能量来源是氨基酸代谢和 呼吸过程 13 由于革兰氏阳性菌细胞壁的厚度远 大于阴性菌 电子穿过细胞壁到体外的过程与发酵 和细胞质内的其他电子传递过程相比优势并不明 显 因此产电能力相对较弱 该类细菌以酸杆菌门 弯曲杆菌科和螺杆菌科为主 3 混菌 MFC产电效能的影响因素 3 1 生物膜的驯化方式 MFC生物膜的形成到死亡需经历如下过程 可 逆吸附 不可逆吸附 多个微生物菌落的形成和逐 渐扩大 成熟的生物膜 生物膜的老化解离 14 10 谢 晴 等 基于混菌产电微生物燃料电池的最新研究进展 第 26卷 第 2期 研究表明在微生物电池里 达到稳定电流平台的时 间是微生物吸附在电极上逐渐形成成熟生物膜所需 的时间 电流的大小受生物膜的影响 15 目前报道 的细菌生物膜驯化法主要是针对无介体型产电微生 物 而驯化的详细操作过程却鲜见报道 微生物催化剂必须通过驯化才能获得可接受的 电催化活性 EunJeongCho等利用系列转接法对 无介体型产电微生物催化剂进行了驯化 16 在液体 培养基内加入燃料及电子受体 利用稀释法对获得 的菌液进行厌氧培养 该法操作简单 能提高微生 物的厌氧适应性 但对其电催化活性能力的提高非 常有限 17 郗名悦等 18 尝试利用此法驯化介体型 产电微生物 E coli 发现该法会造成培养液内出现 墨绿色沉淀 这是添加电子介体新亚甲基蓝所致 不利于介体型生物膜的驯化 Rabaey采用多次刮 移生物膜法对混合产电菌种 污泥 废水 进行驯 化 4 效果显著 电池产电能力大大增强 但缺点是 驯化次数多 达 7次 时间长 63 d 通常的微生物驯化法需采取多次刮膜操作以优 化菌种 但刮膜操作会造成膜电化学活性的损失并 延长膜再成熟的时间 采用在线驯化法 18 通过 MFC伏安曲线可判断生物膜的成熟 当 MFC电流 值达到恒定的最大值 Imax 即表示电极上已形成成 熟的生物膜 19 20 该法在判断上更可靠 并省去了 繁琐的刮膜操作 为驯化方式的改进提供了参考 此外 通过选择适合的不同菌种进行复合培养 使之在生物膜中建立互利共生关系 能缩短挂膜时 间 同时也有较高的功率输出 21 Rabaey等 11 利 用地杆菌 脱硫弧菌 交替单胞菌 肠杆菌 巴 斯德氏 菌 梭菌 丛毛单胞菌和气单胞菌等菌属所构成 的菌 群进行复合培养 最终得到的电流密度是单菌培养 的 6倍 3 2 阳极特性 3 2 1 阳极内阻与表面积 两室型 MFC中 利用极化曲线测得的阳极内阻 包括活化内阻 浓差内阻和欧姆内阻等三部分 黄 素德等 22 发现由微生物代谢及电子传递引起活化 阻力的差异是引起阳极内阻间差异的主要因素 在 接种混合菌时阳极的材质和形式均可影响附着微生 物的种类和生物量 进而影响活化阻力的大小 微生 物的活性越高 参与反应的数量越大 则反应阻力越 小 从而阳极内阻越小 Cheng等 23 发现 当阳极 溶液穿过多孔电极时 电池的产电性能会大幅度提 高 原因是多孔电极减小了溶液穿过电极内部孔隙 的传质阻力 使微生物更有效地在内部孔隙中附着 相当于增大了表面积 从而提高了输出功率 可见 阳极内阻的大小取决于阳极产电微生物的数量 而 生物量又取决于阳极实际用于附着微生物的面积 对于多孔电极 有效孔体积和孔径分布共同影 响着微生物的实际附着面积 在相同的孔径下 有效 孔体积越大 则能提供给微生物的附着面积就越大 而适当地增大孔径则可减小电极内部的传质阻力 同样也可以增大微生物的附着面积 对于非多孔 电 极 粗糙的表面具有较强的吸附性 可加快微生物的 附着速度 并且粗糙的表面亦具有相对较大的表面 积 也提高了电极的产电性能 1 22 3 2 2 表面电位 MFC接种混合污泥后要经过一个启动期 产电 才能达到稳定 阳极表面电位的变化反映了阳极 上 产电微生物数量和活性的变化 以无介体产电微 生 物为例 微生物将阳极作为电子受体 其分解有机 物 产生的电子通过细胞色素或纤毛直接传递到阳极 从而利用这一过程中电子释放的能量作为自身生 长 的需要 因此 阳极电势越高 微生物获得的能量越 多 则生长越快 黄霞等 24 的试验结果表明 阳极电位越低 其 上附着的生物量越高 当表面电位较高时微生物 的 附着速度反而变慢 这说明微生物在电极上的附着 生长并非主要依靠静电的吸引作用 由于产电微 生 物正常生活环境的电势为 300 400 mV 因此 较低的表面电位更有利于产电微生物的附着和生 长 研究表明 阳极的表面电位与膜生物量的相关 性较好 过高或过低的阳极电位都会对挂膜量产生 不利影响 但对电位具体的高低和生物量的大小目 前并没有定量的认识 研究者 24 往往通过附加电 路设置不同的阳极初始电势观察挂膜情况和产电情 况来寻找合理的阳极电位 值得注意的是 不同环 境中存在的混菌群落大不一样 而每种菌对电位的 要求也不相同 这之间并无一一对应关系 3 3 底物 Logan发现较低的葡萄糖浓度与 MFC的最大电 压呈线性关系 这符合微生物生长与所需能量之间 的 Monod关系 即 U UmaxS Ks S 其中 U为微 11 第 26卷 第 2期 中国给水排水 生物比增长速度 Umax为微生物最大比增长速度 S 为基质浓度 Ks为饱和常数 不同底物培养的 MFC中优势微生物种属各不 相同 大多数情况下为革兰氏阴性菌 9 12 孙寓姣 等 13 采用不同容积负荷的底物 发现一些优势菌为 高 G C革兰氏阳性细菌和 proteobacteria类细 菌 主要是 Klebsielaoxytoca 推断这些可能是产电 辅助细菌 值得注意的是 利用不同底物培养的混菌 其占 生长优势的细菌未必是真正的产电细菌 而含量较 大的细菌则可能是一些发酵 产酸细菌等 主要对进 水中的有机物起到初步降解作用 为真正产电细菌 提供合适的前提物质 对产电具有间接的辅助作 用 13 3 4 其他 阴极系统 MFC阴极的主要功能是在催化剂的作用下将 电子传递给电子受体完成还原半反应 阴极材料的 吸氧电位越高则越有利于电能的获得 而金属作为 催化剂的好处在于易结合氧气和捕捉电子 并在电 极表面加速催化反应的发生 探索具有高活性的催 化剂 如 Pt Pt Ru 氧化锰 二氧化锡等 通过喷涂 或采用丝网印刷技术使其附着在阴极上 使阴极反 应的活化能降低 从而减小电化学活化电阻 25 由于阴极室必须克服氧气在水中还原动力低及 水溶性差的缺点 以及阴极可溶性反应物传质受限 的问题 研究者们开发出 二合一 型和 三合一 型 MFC 26 27 二合一 型省略了阴极室 阴极和质子 膜压合在一起 阳极独立 氧气作为电子受体其传质 阻力大大小于两室型 MFC 同时减小了质子在阴极 室内的传递阻力 对阳极上产电微生物的影响也较 小 三合一 型是将阳极 质子膜和阴极依次压合 在一起 使阳极和阴极之间的距离大幅度减小 其电 阻最小 但由于阴极和阳极的距离过小 氧气的渗透 问题亟待解决 离子浓度 通常以城市生活污水接种的 MFC 在不投加营 养盐及磷酸盐缓冲溶液的情况下 可以获得电能 但 产电效果不理想 投加营养盐后 产电性能有较大 提高 外电路负载两端最高电压为 228 2 mV 功率 密度为 35 2 mV m2 库仑效率可达 60 6 28 在 阳极液中 氯化钠投量为 0 3 mol L时电池的效能 最高 同时用不同浓度的磷酸氢钠和磷酸氢二钠缓 冲溶液考察阴极离子强度对产电的影响 发现缓冲 液的挥发会引起负载电压升高 因此 离子浓度的 增加可以提高阳极和阴极中电子的传导效率 降低 整个电池系统的内阻 但离子浓度也不能过量 以 免抑制阳极生物膜的正常新陈代谢 此外 阴 阳极室溶液的 pH 质子交换膜性质 曝气速率 水力负荷 外电路电阻及温度等也是决 定 MFC产电效能的参数 同样也会影响混菌 MFC的 电能输出 4 混菌 MFC存在的问题及展望 4 1 混菌 MFC存在的问题 理论上 MFC的能量转化效率可高达 90 而 实际应用混菌 MFC时其效能一般 分析其原因主 要有以下几个方面 氧气向阳极室的扩散 使得部分有机质在 阳极室内直接将电子传递给氧气 使厌氧微生物的 生长受到抑制 污水中通常含有替代性电子受体 如硝酸 盐 硫酸盐和铁盐等 部分有机质在阳极室内直接 将电子传递给了这些替代性电子受体 混菌之间的竞争生长机制 虽然起决定性 作用的是产电效率高的菌种 但同时选择多种高效 率细菌可能会造成相互间争夺营养物质或其他代 谢 产物 产生拮抗作用 所以混菌接种时不同高效产电 菌不宜过多 阳极上产电微生物的驯化不易控制 并在 产电过程中伴随着生物膜的成熟 脱落与再生 输 出 功率难以长时间保持稳定 目前阳极主要为平板式和填料式两种 前 者的缺点是增大阳极面积必须增加反应器容积 不 利于电池的微型化开发 而后者虽能增大微生物附 着的表面积 但就单位表面的微生物产电来看 两者 的产电性能并没有显著的差异 4 2 展望 阳极材料的研究 除了试图增大微生物的附着面积 提高附着 量 外 还应通过在电极表面进行金属纳米粒子以及碳 纳米管等物质的负载 利用纳米材料的尺寸效应 表 面效应等特性来实现生物膜的附着和直接快速的电 子传递 提高阳极性能的另一个关键是接收到数量 更多 更稳定的胞外电子 因此能提供更多与细菌个 12 谢 晴 等 基于混菌产电微生物燃料电池的最新研究进展 第 26卷 第 2期 体匹配的空位也是今后阳极材料选择与研究的方 向 挂膜方法的研究 对挂膜方法的研究主要侧重于如何缩短产电 微 生物的驯化时间 增加膜量以及降低内阻等方面 这 是 MFC实用化过程中必须解决的问题 同时 研究 混菌共生膜环境中各种微生物的最适生态位 将有 利于菌种的选择和培养 产电微生物的研究 随着电子传递距离的增大 电子传递速率呈指 数下降趋势 酶分子蛋白质的外壳对从活性中心到 电极的直接电子传递产生了屏蔽作用 引入介体在 一定程度上可提供有效的电子传递通道 然而 这 样又增大了电子传递的距离 其总体效果还不能令 人满意 因此 对高活性微生物的筛选 特别是寻找 自身可产生氧化还原介体的微生物以及具有膜结合 电子传递化合物的微生物 是未来 MFC研究的重 点 同时微生物对新环境的不适应常常是阳极极化 的原因之一 因此 需进一步深入研究不同电流下 电极表面与细菌表面的微观结构变化 并开展连续 式无介体微生物燃料电池的研究 质子交换膜的研究 目前最常见的质子交换膜是 Nafion膜 但是该 膜或由该膜制作的膜电极并不能完全阻止氧气因 扩 散引起的穿透现象 这种氧穿透会抑制阳极生物膜 的生长 因此未来需要进一步开发气体渗透性比 Nafion膜更低的新型质子交换膜 反应器结构和运行参数的研究 应进一步优化反应器的结构 提高混菌 MFC的 整体效能 利用微生物固定化技术 重金属负载技术 等改善其结构和性能 进一步探明不同环境条件和 运行工况下 微生物的代谢途径和生物多样性 在运 行参数对 MFC产电效率的影响 构建 MFC的反应 动力学模型等方面均需开展深入工作 参考文献 1 黄霞 梁鹏 曹效鑫 等 无介体微生物燃料电池的研 究进展 J 中国给水排水 2007 23 4 1 6 2 孙建 胡勇有 废水处理新理念 微生物燃料电池 技术研究进展 J 工业用水与废水 2008 29 1 1 6 3 RabaeyK VerstraeteW Microbialfuelcels anovelbi otechnologyforenergygeneration J TrendsBiotechn ol 2005 23 16 291 298 4 RabaeyK BoonN HofteM etal Microbicalphenazine productionenhanceselectrontransferinbiofuelcels J EnviornSciTechnol 2005 39 9 3402 3408 5 GorbyY A YaninaS McleanJS etal Electrically conductivebacterialnanowiresproducedbyShewanela oneidensisstrainMR 1 andothermicroorganisms J ProcNationalAcadSciUSA 2006 103 30 11358 11363 6 RegueraG MccarthyKD MethaT etal Extracelular electrontransferviamicrobialnanowires J Nature 2005 455 1098 1101 7 JangJK PhamTH ChangIS etal Constructionand operationofanovelmediatorandmembrane lessmicro bialfuelcell J ProcBiochem 2004 39 8 1007 1012 8 卢娜 周顺桂 倪晋仁 微生物燃料电池的产电机制 J 化学进展 2008 20 7