2008-3-7 9:41:33

微生物燃料电池及其应用研究进展

2 3　微生物代谢和电子传递过程

2 3 1　微生物代谢过程

Ｒａｂａｅｙ等[7]认为,阳极电势的高低决定了微生物代谢的途径:当阳极电势较高时,微生物利用呼吸链进行代谢,电子和质子通过ＮＡＤＨ脱氢酶、辅酶Ｑ和色素进行传递;当阳极电势下降,且溶液中没有硝酸盐、硫酸盐和其他电子受体时,溶液中主要发生的是发酵过程。而像醋酸、丁酸这样的发酵产物则可以在更低的阳极电势下由Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ种群微生物代谢,将电子传递到电极。而阳极电势的高低可以通过调节外电阻,控制溶液中氧气、硝酸盐、硫酸盐和其他电子受体的浓度来控制。

2 3 2　电子传递过程

电子从微生物到电极的传递主要有3种方式:由细胞膜直接传递、通过中间体传递及以上2种传递方式同时存在的传递[19]。

(1)由细胞膜直接传递电子

对于无需外源中间体的直接ＭＦＣ,电子从微生物细胞膜直接传递到电极。在电子传递过程中,作为呼吸链重要组成部分的、位于细胞膜上的色素是实际的电子载体[11]。因此,对于此类ＭＦＣ,要提高电池输出功率,关键在于提高细胞膜与电极材料的接触效率。目前被认为由细胞膜直接传递电子的微生物有Ｇｅｏｂａｃｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｒｅｄｕｃｅｎｓ、Ａｅｒｏｍｏｎａｓｈｙｄｒｏｐｈｉｌａ、Ｒｈｏｄｏｆｅｒａｘｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ和Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａｐｕｔｒｅｆａｃｉｅｎｓ等[13,16-18]。

(2)由中间体传递电子

由中间体传递电子的过程为:处于氧化态的中间体进入细胞内,与呼吸链上的还原产物ＮＡＤＨ耦合后,转变成还原态的中间体;还原态的中间体被微生物排泄出体外,在电极表面失去电子被氧化。

理想的中间体应该能被细菌吸收和排泄,对微生物没有毒性,氧化态和还原态均比较稳定,能够与ＮＡＤＨ相连接[20]。此外,理想外源中间体的氧化还原电势应高于色素和ＮＡＤＨ等细胞内氧化还原电对的电势,同时应低于电极材料的氧化还原电势[9]。ａｒｋ等[20]研究发现,将中间体通过化学键固定在石墨电极表面可以提高电池的输出电流密度。

在有关ＭＦＣ的早期研究中,研究的重点在于选择合适的外源中间体以提高电池的输出功率。通常,ＭＦＣ中使用的中间体大多是人工合成的染料物质,如亚甲蓝、中性红等[9]。Ｒａｂａｅｙ等[21]的研究结果表明,微生物自身代谢也可以产生中间体。他们在Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓａｅｒｕｇｉｎｏｓａ接种的ＭＦＣ中检测出了抗菌物质绿脓菌素(ｐｙｏｃｙａｎｉｎ)和ｐｈｅｎａｚｉｎｅ-1-ｃａｒｂｏｘａｍｉｄｅ,将这些物质用于由其他微生物接种的ＭＦＣ时,同样可以明显提高电池的电流输出。值得注意的是,Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓａｅｒｕｇｉｎｏｓａ仅在ＭＦＣ中代谢产生中间体,在普通的厌氧条件下没有中间体产生。

3　阴极池的研究进展

微生物燃料电池的阴极氧化剂主要有空气、溶氧、铁氰化物、二氧化锰等,其中用溶氧作为氧化剂的研究较多,而直接用空气作为氧化剂的ＭＦＣ由于简化了电池结构,在近几年得到了较大发展。当用氧气作为阴极氧化剂时,阴极反应与直接甲醇燃料电池和氢气燃料电池相似,因此在组建ＭＦＣ时,可以直接参考已有电池的研究成果来选择阴极材料。目前,阴极材料多使用载铂石墨、碳布或碳纸等。

Ｏｈ等[22]考察了电极材料、阴极性质、阴极面积和溶解氧浓度等因素对电池输出功率的影响。结果显示,用铁氰化钾溶液作为电子受体比用溶氧缓冲溶液作为电子受体时的电池输出功率高50%～80%。当用溶氧作为电子受体时,载铂阴极比无载铂阴极产生的电池电压高166ｍＶ(分别为302ｍＶ及136ｍＶ),纯氧曝气(Ｏ2质量浓度38ｍｇ/Ｌ)比空气曝气(Ｏ2质量浓度7 9ｍｇ/Ｌ)时产生的最大电池功率高15 8%(分别为0 110ｍＷ和0 095ｍＷ)。对使用溶氧作为阴极氧化剂的电池来说,阴极面积的变化也会引起电池电压的变化,但对以铁氰化钾溶液为阴极氧化剂的电池而言,阴极面积对电池电压的影响很小。Ｒｈｏａｄｓ等[6]用生物矿化的氧化锰沉积在石墨电极表面作为阴极氧化剂,经测量其标准氧化还原电势达(384 5±64 0)ｍＶ。当其与由Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａｐｎｅｕｍｏｎｉａｅ接种、2-羟基-1,4-萘醌为中间体、葡萄糖溶液为营养液组成的阳极组合成ＭＦＣ时,电池输出的电流密度比用氧气作为氧化剂时的高2个数量级。

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