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張錦濤1，2，3倪晉仁1，3周順桂2
(1、北京大學(xué)深圳研究生院城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東深圳 518055)
(2、廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510650)
(3、北京大學(xué)環(huán)境工程系水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100871)
摘 要：微生物燃料電池(Microbial fuelcel，lMFC)是未來(lái)理想的發(fā)電裝置，而鐵還原菌是目前MFC研究中重要的產(chǎn)電微生物。自然界中并無(wú)微生物產(chǎn)電的直接進(jìn)化壓力，而MFC電極與自然界中Fe(III)氧化物同為難溶性胞外電子受體，研究表明，鐵還原菌對(duì)二者的還原有相似機(jī)制。基于鐵還原菌的MFC具有無(wú)需外加介體，可利用多種有機(jī)電子供體作為燃料，能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)。本文分析了鐵還原菌還原電極和還原Fe(III)氧化物機(jī)制的相似性，對(duì)近年來(lái)基于各種鐵還原菌的MFC研究進(jìn)展進(jìn)行分述和總結(jié)，提出了鐵還原菌MFC的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。
隨著全球氣候變暖和化石燃料耗竭等問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，可替代能源和可再生能源的研究受到越來(lái)越多的重視。構(gòu)建多樣的、更穩(wěn)定的能源系統(tǒng)，已成為各國(guó)可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家戰(zhàn)略的重要組成部分。太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方興未艾。近年來(lái)，一種能直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置——微生物燃料電池，以其特有的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為新興能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
微生物燃料電池(Microbial fuelcell簡(jiǎn)稱MFC)，是以微生物為催化劑將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池。由于它在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程減少了燃燒步驟，因而可大幅提高能量轉(zhuǎn)化效率。同常規(guī)燃料電池相比，MFC以微生物代替昂貴的催化劑，因而具有更多優(yōu)點(diǎn)：1)常溫常壓條件下運(yùn)行；2)無(wú)需為防止催化劑中毒提純?nèi)剂希?)原料來(lái)源更廣泛。理論上，所有可生物降解的有機(jī)物都可作為MFC的燃料，因而可利用污水中的有機(jī)污染物發(fā)電。MFC在處理有機(jī)廢物的同時(shí)產(chǎn)生電能，相比傳統(tǒng)的耗能污水處理工藝可有效降低運(yùn)行成本。
目前，微生物燃料電池的研究正處于實(shí)驗(yàn)室或小試水平，電池輸出功率比較低(一般小于10W/m2 陽(yáng)極面積)。為有效降低內(nèi)阻，消除極化，提高輸出功率密度，主要工作集中在以下幾個(gè)方面：1)電池構(gòu)型的改進(jìn)優(yōu)化；2)適于MFC的先進(jìn)電極材料的研制與使用；3)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化等。而作為MFC的催化劑，微生物氧化有機(jī)物并還原電極(即向陽(yáng)極傳遞電子)的速率是影響MFC電能輸出提高的主要內(nèi)因。因此，對(duì)MFC中具有胞外電子傳遞活性的微生物(產(chǎn)電微生物，Electricigenicm icroorganisms)及其電極還原機(jī)制的研究，不僅有助于闡明MFC中的產(chǎn)電呼吸代謝途徑，而且有利于進(jìn)一步提高M(jìn)FC性能，具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。
1 MFC中的產(chǎn)電微生物及其電極還原機(jī)制
由于細(xì)胞膜的阻隔，多數(shù)微生物細(xì)胞內(nèi)代謝反應(yīng)產(chǎn)生的電子并不能傳遞到胞外，因而不表現(xiàn)出直接的電化學(xué)活性。為此，大多數(shù)常規(guī)的微生物燃料電池需要采用某些小分子的氧化還原活性物(也稱為介體，Mediator)充當(dāng)電子穿梭載體，將胞內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移至電極表面。在MFC中，可人為地添加介體促進(jìn)電子傳遞。常用的介體包括中性紅、硫堇、AQDS(蒽醌-2，6-二磺酸)，及各種吩嗪、吩噻嗪等。這些介體很多是雜環(huán)類化合物，對(duì)人體有毒，不能直接排放到環(huán)境中。除了外源添加，某些微生物自身也能分泌介體。例如， Rabaey等發(fā)現(xiàn)，銅綠假單胞菌(Pseudom onasaeruginosa)能夠合成綠膿菌素(Pyocyanin)作為介體，將電子傳遞至陽(yáng)極。然而，微生物合成介體是耗能過(guò)程，而且介體容易隨著基質(zhì)更新而損失，從而降低了電子供體(燃料)的利用效率。因此，無(wú)介體MFC是微生物燃料電池的研發(fā)重點(diǎn)。
混合菌MFC的主要接種物有廢水、活性污泥和水體底泥等。研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MFC運(yùn)行一段時(shí)間后，陽(yáng)極菌群結(jié)構(gòu)較接種物發(fā)生顯著變化，具有產(chǎn)電活性的微生物得到富集。
例如，16SrRNA研究表明，以底泥為接種物或基質(zhì)的MFC中，陽(yáng)極表面富集的D-proteobacteria可高達(dá)70%，其中以地桿菌屬(Geobacter)為主。這些地桿菌屬細(xì)菌能夠在無(wú)介體條件下，以電極為唯一電子受體，將一些簡(jiǎn)單有機(jī)物徹底氧化成二氧化碳和水，并從中獲取生長(zhǎng)所需的能量。目前，已發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)電微生物有：嗜水氣單胞菌(Aerom onashydrophila)，丁酸梭菌(Clostridium butyricum)，腐敗希瓦氏菌(Shewanell aputrefaciens)，硫還原地桿菌(Geobactersul furreducens)，鐵還原紅育菌(Rhodoferaxferrireducens)，丙酸脫硫葉菌(Des-ulfobulbus propionicus)，Shewanella oneidensis，Geothrixferm entan，Geopsychrobacterelectrodiphilus等。
目前已發(fā)現(xiàn)的微生物還原電極的方式主要有以下3種：1)直接接觸機(jī)制；2)通過(guò)氧化還原介體作為電子穿梭體；3)利用納米導(dǎo)線遠(yuǎn)距離傳遞電子(圖1)。
由于輸出功率的限制，現(xiàn)有的微生物燃料電池離實(shí)際應(yīng)用還有很大差距，其中有可能在短期內(nèi)投入實(shí)際應(yīng)用的是底泥燃料電池(圖2)，它可以用于驅(qū)動(dòng)偏遠(yuǎn)海域中的低能耗傳感器。底泥燃料電池(SedmentmicrobialfuelcellSMFC)工作原理是：以產(chǎn)電微生物(主要是地桿菌屬細(xì)菌)為催化劑，將底泥中的有機(jī)物(如乙酸等)徹底氧化，產(chǎn)生的電子被微生物傳遞到陽(yáng)極，然后通過(guò)外電路到達(dá)陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流。在SMFC中，發(fā)酵微生物的作用是將復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)降解為發(fā)酵產(chǎn)物(如乙酸等)，供富集在陽(yáng)極的產(chǎn)電微生物利用，兩者"接力"完成復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的徹底氧化與產(chǎn)電。
2微生物電極還原與Fe(III)氧化物還原
由于自然界中并未發(fā)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)電呼吸代謝(Electricigen icrespiration metabolism)的直接進(jìn)化壓力，因而推測(cè)，自然界中可能存在其它因素導(dǎo)致微生物電極還原能力的形成。鐵在地殼中平均含量為516%，是地殼中豐度排第二的金屬。鐵在自然界中主要以難溶性Fe(III)氧化物形式存在。作為地球生命古老的呼吸類型，微生物還原Fe(III)氧化物的能力經(jīng)歷了長(zhǎng)期的進(jìn)化選擇，并且在元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著重要角色。與自然界中的Fe(III)氧化物一樣，電極也是難溶性的胞外電子受體。
基于電極與Fe(III)氧化物作為電子受體的相似性，有人推測(cè)，微生物將胞內(nèi)代謝產(chǎn)生的電子傳遞到電極表面的機(jī)制可能與其還原Fe(III)氧化物(也稱鐵呼吸)的能力有關(guān)。
韓國(guó)科學(xué)家從長(zhǎng)期運(yùn)行的MFC中分離出兩株鐵還原菌，即嗜水氣單胞菌(AeromonashydrophilaPA3)和丁酸梭菌(Clos-tridiumbutyricumEG3)。循環(huán)伏安法和MFC實(shí)驗(yàn)證明，在厭氧條件下它們不僅可還原Fe(III)，而且可以還原電極產(chǎn)電。
Holmes等以Fe(III)氧化物為電子受體，從海水SMFC陽(yáng)極表面分離到富集的鐵還原菌Geopsychrobacterelectrodiphilus，該菌在SMFC電極還原中起主要作用。鐵還原菌1(Fe(III)-re-ducingbacteria，簡(jiǎn)稱FRB2是指能夠異化還原Fe(III)并從中獲取生長(zhǎng)所需能量的微生物。自從1987年Lovley首次在淡水底泥中發(fā)現(xiàn)金屬還原地桿菌(GeobactermetallireducensGS15)以來(lái)，人們已經(jīng)分離到鐵還原細(xì)菌100多株。陸續(xù)實(shí)驗(yàn)證明，許多鐵還原菌具有電極還原活性，可進(jìn)行產(chǎn)電呼吸代謝。鐵還原菌的多樣性與廣泛性，為MFC催化劑的選擇提供了廣闊空間。
鐵還原菌對(duì)難溶性Fe(III)氧化物的還原主要有4種機(jī)制：(1)鰲合劑促溶機(jī)制，即細(xì)胞釋放鰲合劑促進(jìn)Fe(III)氧化物溶解，然后再還原溶解態(tài)Fe(III)；(2)直接接觸機(jī)制，即鐵還原菌通過(guò)細(xì)胞外膜上的電化學(xué)活性蛋白將電子傳遞到Fe(III)氧化物表面；(3)電子穿梭機(jī)制，即利用自然環(huán)境中廣泛存在的腐殖質(zhì)、植物根系分泌物或細(xì)胞自身合成的
氧化還原介體作為電子穿梭體，將電子傳遞給Fe(III)氧化物；(4)納米導(dǎo)線輔助機(jī)制，即在特定條件下某些鐵還原菌會(huì)形成類似菌毛的導(dǎo)電附屬物，細(xì)菌可以納米導(dǎo)線遠(yuǎn)距離向固體電子受體(如鐵氧化物、電極等)傳遞電子，從而免除了細(xì)胞表面與電子受體的直接接觸，有效增大了反應(yīng)面積。
由于電極是永久性胞外電子受體，不同于還原后消失的Fe(III)氧化物，因此，電極還原不存在類似鰲合劑促溶的機(jī)制，而與后3種Fe(III)氧化物還原方式相關(guān)。例如，Nevin等在研究細(xì)菌還原Fe(III)氧化物的機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，Geothrixfer-mentans能分泌一種水溶性醌類物質(zhì)，這種醌類物質(zhì)可作為電子穿梭體加速Fe(III)還原。而在基于G。fermentans的MFC研究中，他們同樣發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可以自身合成介體，促進(jìn)細(xì)胞對(duì)電極的電子傳遞。但這兩種介體是否同一物質(zhì)，有待進(jìn)一步分離鑒定。Gorby等研究ShewanellaoneidensisMR-1的納米導(dǎo)線時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞色素MtrC和OmcA基因缺陷株的納米導(dǎo)線不能導(dǎo)電，進(jìn)而失去還原Fe(III)氧化物的能力，同時(shí)降低在MFC中的產(chǎn)電活性，說(shuō)明該菌可利用導(dǎo)電的納米導(dǎo)線向電極或Fe(III)氧化物傳遞電子。
再如，地桿菌屬(Geobacter)細(xì)菌在還原Fe(III)氧化物時(shí)并不產(chǎn)生介體或鰲合劑，但可以利用細(xì)胞色素向Fe(III)氧化物傳遞電子。Mehta等發(fā)現(xiàn)，兩種外膜細(xì)胞色素C，即OmcS和OmcE，在Geobactersulfurreducens還原難溶Fe(III)氧化物中起著重要作用。敲除omcS基因后，G.sulfurreducens喪失還原Fe(III)氧化物的能力，但能夠繼續(xù)還原可溶性Fe(III)。而敲除omcE的突變株，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間培養(yǎng)，可緩慢恢復(fù)還原Fe(III)氧化物的能力，但較野生株弱。重新表達(dá)兩種蛋白，突變株可再還原Fe(III)氧化物。定量RT-PCR分析表明，相對(duì)于以可溶性的Fe(III)為電子受體，G.sulfurredu-cens在MFC條件下(即以電極為電子受體)，omcS轉(zhuǎn)錄水平增加19倍，且omcS轉(zhuǎn)錄水平隨電流增大而增加，敲除omcS抑制電流產(chǎn)生。在MFC條件下，omsE轉(zhuǎn)錄水平也有所提高，且OmsE基因缺陷株經(jīng)過(guò)適應(yīng)性馴化可逐漸恢復(fù)產(chǎn)電水平，但比野生株稍低。盡管OmcS和OmcE在Fe(III)氧化物和電極還原中的具體作用有待進(jìn)一步研究，但上述結(jié)果表明，G. sulfurre-ducens還原Fe(III)氧化物和電極時(shí)有相似的機(jī)制。
總之，大量研究證明，微生物電極還原與Fe(III)氧化物異化還原具有相似機(jī)制，二者相互借鑒，有助于深入理解胞外電子傳遞機(jī)制。
3基于鐵還原菌的MFC研究概況
目前報(bào)道的基于鐵還原菌的MFC，大多無(wú)需外加介體，部分菌還能從電子傳遞過(guò)程中獲取生長(zhǎng)所需的能量，并以電極為唯一電子受體徹底氧化多種有機(jī)電子供體，電子回收率較高(表1)。這類產(chǎn)電微生物在MFC應(yīng)用中有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是徹底氧化有機(jī)物達(dá)到較高的能量轉(zhuǎn)換率；二是微生物從電子傳遞過(guò)程中獲取生長(zhǎng)所需能量，實(shí)現(xiàn)代謝活性的自我維持，有利于MFC長(zhǎng)期運(yùn)行。
以下分別對(duì)報(bào)道過(guò)的主要鐵還原菌MFC的特點(diǎn)及研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。
3.1 基于S.putrefaciens的MFC
Km等在研究S.putrefaciens代謝乳酸產(chǎn)電時(shí)，最早提出微生物能直接將電子傳遞到電極表面的設(shè)想。但S.putrefa-ciens在MFC中的生長(zhǎng)時(shí)，大多數(shù)細(xì)胞處于游離狀態(tài)，僅有少量細(xì)胞覆蓋于電極表面形成生物膜，因而容易隨基質(zhì)的更換而流失。當(dāng)向MFC中新鮮基質(zhì)中加入不同濃度的細(xì)胞時(shí)，初始電勢(shì)隨濃度升高而增大，與循環(huán)伏安法測(cè)得的電化學(xué)活性結(jié)果一致。推測(cè)S.putrefacien依靠細(xì)胞表面的電化學(xué)活性物質(zhì)(如細(xì)胞色素C)，向電極傳遞電子。由于以電極為受體時(shí)只能不完全氧化有限的電子供體，如乳酸、丙酮酸等，電子回收率較低，因而，S.putrefaciens并非理想的MFC催化劑。
3.2基于S. oneidensis的MFC
Ringeisen等在研究微型MFC(橫截面積210cm2 ，體積112cm3)時(shí)使用兼性厭氧菌S. oneidensis作為催化劑，以乳酸為電子供體，按橫截面積和陽(yáng)極體積計(jì)算最大輸出功率密度分別為3W/m2 、500W/m3，但電子回收率低于10%。S.oneiden-sis向電極傳遞電子的機(jī)制可能包括直接接觸機(jī)制、電子穿梭機(jī)制或納米導(dǎo)線輔助機(jī)制，但3種機(jī)制對(duì)電子傳遞的貢獻(xiàn)率并未進(jìn)一步研究。微型MFC設(shè)計(jì)能夠有效減少擴(kuò)散距離，增加單位體積的陽(yáng)極表面積，可有效提高功率輸出密度，但S.one-densis利用電子供體(燃料)的利用效率過(guò)低，可考慮采用其它菌種提高電子回收率。
3.3 基于G. sulfurreducens的MFC
G.sulfurreducens是最早報(bào)道的，能夠直接利用電極還原的能量生長(zhǎng)的微生物。基因組序列信息的闡明，有利于深入了解細(xì)胞與電極表面相互作用的機(jī)制，G. sulfurredu-cens已成為目前產(chǎn)電代謝研究中的熱點(diǎn)微生物。
基于G.sulfurreducens的MFC主要依靠附著在陽(yáng)極上的細(xì)胞傳遞電子。激光共焦掃描顯微觀察發(fā)現(xiàn)，隨著輸出電流增強(qiáng)，陽(yáng)極表面覆蓋的細(xì)胞數(shù)量增加，逐漸形成由多層細(xì)胞組成的高度結(jié)構(gòu)化的生物膜。對(duì)不同電流下陽(yáng)極生物膜的生物量分析表明，電流強(qiáng)度和生物量線形正相關(guān)。當(dāng)達(dá)到最大輸出電流時(shí)，生物膜平均厚度為40Lm?；钚匀旧^察發(fā)現(xiàn)，生物膜中離電極表面較遠(yuǎn)的細(xì)胞仍具有產(chǎn)電代謝活性，并且參與對(duì)電極的電子傳遞，這些細(xì)胞遠(yuǎn)距離傳遞電子與其表面導(dǎo)電的菌毛有關(guān)。這些長(zhǎng)約20Lm的菌毛相互交錯(cuò)纏繞，構(gòu)成滲透在生物膜中的/納米電網(wǎng)0，有效促進(jìn)了遠(yuǎn)距離的電子傳遞。
G.sulfurreducens菌毛缺陷株不能還原Fe(III)氧化物，但可轉(zhuǎn)化乙酸產(chǎn)電，電流輸出較野生株弱?；钚匀旧^察表明，只有緊靠陽(yáng)極電極表面的缺陷型細(xì)胞具有產(chǎn)電活性，推測(cè)這些細(xì)胞能夠通過(guò)外膜細(xì)胞色素C，如OmcS，向電極傳遞電子。
G.sulfurreducens在沉積環(huán)境中還原Fe(III)氧化物時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)類似于在電極上堆積形成細(xì)胞膜傳遞電子的現(xiàn)象，可能由于Fe(III)氧化物不同于可作為永久電子受體的電極，形成細(xì)胞膜并不利于消耗Fe(III)氧化物后轉(zhuǎn)移到其它位置。該現(xiàn)象是微生物自身的適應(yīng)性變化，也意味著通過(guò)基因工程或馴化的方法有可能能很大程度提高微生物還原電極的能力。
3.4 基于R.ferrireducens的MFC
R.ferrireducens是最早報(bào)道的能將葡萄糖的徹底氧化與Fe(III)還原偶聯(lián)的兼性厭氧微生物。其他許多鐵還原菌，如Geobacteraceae中的一些種屬，雖然能直接向電極傳遞電子，但電子供體局限于簡(jiǎn)單有機(jī)酸，如乙酸、乳酸等。當(dāng)向MFC加入糖或其它較復(fù)雜的有機(jī)物作為燃料時(shí)，還需要發(fā)酵細(xì)菌將其降解為簡(jiǎn)單有機(jī)酸后才能被利用。而R.ferrireducens能以電極為唯一電子受體直接氧化葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖等生成CO2，并從電子傳遞中獲得生長(zhǎng)所需的能量。當(dāng)以葡萄糖為電子供體時(shí)電子回收率可達(dá)81%。R.ferrireducens最適生長(zhǎng)溫度為25e，但在4e下仍能生長(zhǎng)并還原Fe(III)，它在低溫下還原電極的能力未作報(bào)道，有待進(jìn)一步考察?；赗.ferrireducens的MFC具有蓄電池的特點(diǎn)，如反復(fù)充放電時(shí)其蓄電能力無(wú)明顯減弱，充電快速，儲(chǔ)存較長(zhǎng)時(shí)間電池性能保持穩(wěn)定等。
3.5基于D.propionicus的MFC
D.propionicus是最早發(fā)現(xiàn)的能從難溶性Fe(III)氧化物還原中獲取生長(zhǎng)所需能量的硫酸鹽還原菌。它是Desulfobul-baceae的代表種，其主要代謝方式是通過(guò)不完全氧化有機(jī)酸如乳酸、丙酸、丁酸和乙醇等異化還原硫酸鹽。當(dāng)缺乏電子受體時(shí)，還能通過(guò)琥珀酸-丁酸途徑發(fā)酵乳酸、丙酮酸或乙醇生成乙酸和丙酸的混合物。在MFC中，D.propionicus能夠以乳酸、丙酸、丙酮酸或氫為電子供體，向電極傳遞電子并維持生。根據(jù)反應(yīng)物和產(chǎn)物的化學(xué)平衡計(jì)算，以丙酮酸鹽為電子供體時(shí)，D.propionicus還原電極的同時(shí)還進(jìn)行丙酮酸發(fā)酵，同以難溶Fe(III)氧化物為電子受體時(shí)的混合代謝類似。因此，MFC電子回收效率較低，僅有2614%的丙酮酸代謝與陽(yáng)極電子傳遞偶聯(lián)。更換新鮮基質(zhì)，MFC能夠迅速恢復(fù)電流輸出水平，說(shuō)明附著在電極表面的細(xì)胞在陽(yáng)極電子傳遞中起主要作用。由于不能利用乙酸作為電子供體，一般認(rèn)為D.propionicus在海水SMFC電極還原中不會(huì)起重要作用。但底泥中的硫化物可被電極非生物氧化產(chǎn)生單質(zhì)硫，沉淀在燃料電池陽(yáng)極表面，而D.propionicus能夠?qū)⒘蜓趸闪蛩猁}并向電極傳遞電子。因此，在含硫化物豐富的環(huán)境中，可形成電極非生物還原與由D.propionicus催化的生物還原并存的MFC。此發(fā)現(xiàn)豐富了對(duì)海水SMFC生物產(chǎn)電機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
3.6基于G.fermentans的MFC
G.fermentans是從石油污染的鐵還原環(huán)境中分離的嚴(yán)格厭氧菌，能以Fe(III)為唯一電子受體徹底氧化多種簡(jiǎn)單有機(jī)酸和棕櫚酸，是最早報(bào)道的淡水環(huán)境中能夠通過(guò)Fe(III)還原氧化長(zhǎng)鏈脂肪酸的微生物。它以電極為唯一電子受體時(shí)，能夠徹底氧化乙酸、琥珀酸、蘋果酸、乳酸、丙酸等簡(jiǎn)單有機(jī)酸，而以乙酸為電子供體時(shí)的電子回收率可高達(dá)94%。
研究表明，G.fermentans還原電極時(shí)，采取了類似還原難溶性Fe(III)氧化物的策略——合成介體加速電子傳遞至不溶性胞外電子受體。但更換陽(yáng)極室中的基質(zhì)，MFC可保持近50%的產(chǎn)電能力，并且在新基質(zhì)中數(shù)周內(nèi)未檢測(cè)到電子穿梭體，說(shuō)明覆蓋在電極表面的細(xì)胞可能以某種方式阻止介體釋放到基質(zhì)中或者這些細(xì)胞能直接向電極表面?zhèn)鬟f電子。
3.7基于G. electrodiphilus的MFC
Homes等從海水SMFC陽(yáng)極表面分離到兩株獨(dú)特的耐寒細(xì)菌G.electrodiphilusA1 T 和A2，可在4e時(shí)生長(zhǎng)，并能還原多種可溶和難溶Fe(III)。以可溶性Fe(III)為電子受體時(shí)，可氧化多種有機(jī)酸、氨基酸、長(zhǎng)鏈脂肪酸、芳香族化合物。G.elec-trodiphilus在MFC中能徹底氧化的有機(jī)酸包括乙酸、蘋果酸、延胡索酸和檸檬酸等，電子回收率在90%左右。A1T和A2的16SrRNA序列與SMFC陽(yáng)極表面主導(dǎo)電子傳遞的微生物有90%~97%的相似性，說(shuō)明G.electrodiphilusr在海水SMFC電極還原中起主要作用?？紤]到其在低溫海底環(huán)境中生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，G.electrodiphilus可作為模式菌，深入研究海水底泥燃料電池中微生物與電極的相互作用機(jī)制，優(yōu)化電極還原能力，以推動(dòng)SMFC在驅(qū)動(dòng)偏遠(yuǎn)海域傳感器中的應(yīng)用。
4研究展望
基于鐵還原菌的MFC無(wú)需外加介體，可利用多種有機(jī)物作為燃料，能量轉(zhuǎn)化率高，具有很高的研究及應(yīng)用價(jià)值。但目前為止，MFC轉(zhuǎn)化燃料的速率過(guò)低，輸出功率有限，是制約實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。篩選能夠快速轉(zhuǎn)化有機(jī)物產(chǎn)電的鐵還原菌，已成為推動(dòng)MFC發(fā)展的迫切需要。篩選適于MFC的鐵還原菌主要有以下3種途徑：1)直接從運(yùn)行良好的MFC陽(yáng)極分離，分離時(shí)應(yīng)盡量使用難溶Fe(III)氧化物作為電子受體，并使生理?xiàng)l件(如pH、溫度、電子供體等)接近原生境；2)借鑒Fe(III)氧化物還原的研究成果，考察相關(guān)鐵還原菌的電化學(xué)活性，也是獲得優(yōu)良MFC菌種的重要途徑；3)通過(guò)基因工程構(gòu)建高效產(chǎn)電菌株。
目前，鐵還原菌MFC在電化學(xué)優(yōu)化方面的研究較為落后。今后應(yīng)結(jié)合鐵還原菌基因組和電極還原機(jī)制等方面的研究成果，改進(jìn)電池構(gòu)造，采用特殊電極材料，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，推動(dòng)鐵還原菌MFC應(yīng)用研究的快速發(fā)展。此外，考察如何有效利用發(fā)酵細(xì)菌與鐵還原菌的協(xié)同效應(yīng)，擴(kuò)大燃料利用譜，提高M(jìn)FC在生活污水、畜禽糞便、淀粉廢水等有機(jī)廢棄物處理領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，也將有效加快MFC投入實(shí)際應(yīng)用的步伐。 |
