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第
26卷 第2期
中国给水排水
Vol.26No.2 Jan.2010
2010年 1月 CHINAWATER＆ WASTEWATER
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]
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 。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 , 特别是对其中产电细菌与非产
[1]
[2]
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
基金项目:四川省科技厅应用基础研究项目(2008JY0042)
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电细菌之间关系的研究还有待进一步深入。
微生物的电子传递机制
1
根据已发现且证实的纯菌电子传递方式主要有
、 : 、
[37]
传递和初级代谢产物原位氧化传递 ～ ,这四种传 递方式可概括为两种机制 ,前两者为生物膜机制,后
四种 直接接触传递 纳米导线辅助传递 电子穿梭
② 地杆菌科
地杆菌科有很好的遗传背景 属 δ-proteobacte-
ria。以 G.sulferreducens为例 , 在有机物降解过程 中可以只用电极作电子受体而完全氧化电子供体[9]在无氧化还原介体的情况下, 可以定量转移电子给 电极。这种电子传递归功于吸附在电极上的大量细 胞。由于 G.sulfureducens的全基因组序列的测序已 经完成, 所以目前基本都是以 G.sulfurreducens为模 式菌进行 MFC的研究。
两者为电子穿梭机制。
生物膜机制 ,即微生物在电极表面聚集形成生 物膜, 达到直接接触或利用纳米导线辅助转移电子 的目的 ,是一种无介体电子传递。无介体电子传递 的实现要求微生物细胞膜或膜上某些组件 (细胞色
素 醌类等物质 与阳极表面在空间上直接接触
、 )
。目前认为以此种方式传递电子的微生物主要有腐败
希瓦氏菌 铁还原红螺菌 地杆菌和嗜水气单胞菌
、 、
等。电子穿梭机制是微生物利用外加或自身分泌的
电子穿梭体 氧化还原介体
将代谢产生的电子转
(
), 移至电极表面。由于微生物细胞壁的阻碍 , 多数微 生物自身不能将电子传递到电极上, 需借助可溶性
氧化还原介体进行电子传递。常见的外加介体主要
有硫堇
甲基紫精 2 羟基
1 4 (TH+)、Fe(Ⅲ )EDTA、
、 - - , -
(HNQ)、 (NR) , 谢物 如 2
( , H、HS ) 。
最近的研究表明, 腐败希瓦氏菌和铜绿假单胞
菌等许多微生物生成的次级代谢产物均会影响电子 的胞外传递[ 4]
,若这些菌种中负责介体生成的基因 失活或钝化, 就会造成这类电池电流的大幅下降。在混合菌
产电过程中 上述两种机制往往同时
MFC
[8]
, 存在, 协同促进产电过程 。
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]
。
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。
③ 腐败希瓦氏菌
希瓦氏菌因其呼吸类型的多样性而得到广泛研
究, Kim等 10]
采用循环伏安法研究了 S.putrefaciens
MR-1、S.putrefaciensIR21和 SR221 的电化学活性 分别以这几种细菌为催化剂、以乳酸盐为燃料的
微生物燃料电池), 发现不用氧化还原介体 ,直接加
入燃料后电池的电势都有明显提高说明该类细菌是通过细胞膜直接传递电子的。
④ 红螺菌
红螺菌是一种氧化铁还原微生物。与其他产电
菌相比其最重要的优势就是它能将糖类物质转化为电能,并完全氧化葡萄糖。研究发现铁还原红螺
菌将糖类转化为电能的效率高达 80%以上 ,是一种 高效的产电菌 ,这将大大推动微生物燃料电池的实 用进程。除上述几类细菌外, 丁酸梭菌、粪产碱菌、 鹑鸡肠球菌和铜绿假单胞菌等也有产电能力[ 11、12] 。 总的说来, 目前了解的比较高效的产电微生物 主要集中于固体金属氧化物还原菌 , 它们属于变形
菌革兰氏阴性这类细菌的自然生长条件与微生物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]
。
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