微生物燃料电池中产电微生物的研究进展

微生物燃料电池中产电微生物的研究进展

谢丽，马玉龙

宁夏大学，宁夏银川 750021

摘要：产电微生物向阳极转移电子的能力是影响微生物燃料电池功率密度的主要内因。文章从电子由细胞内传递至细胞表面，再从细胞表面转移至阳极2 个环节介绍了电子传递机制，着重从种类和各自的特点出发全面综述了 MFC 产电微生物的研究进展，最后提出了产电微生物在MFC 系统中进一步的研究方向。

关键词：微生物燃料电池；产电微生物；电子传递机制

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1002- 204X（2011）07- 0104- 04

随着人口的增长，社会和经济的发展，全世界范围内以不可再生资源（石油、煤和天然气）为主要能源的状况在未来将难以继续。人类面临能源危机的同时，还要面对因使用这些化石燃料对环境造成的破坏从而导致的全球气候恶化等影响。因此，开发和利用可再生能源已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分。

发现于 1911 年的微生物燃料电池（microbial fuel cell，简称MFC）作为一种利用微生物代谢产生电能的方法，在 20 世纪90 年代初开始受到关注，研究人员在 MFC 领域展开了大量的工作，并取得了显著成果。

目前，MFC 的研究还处于实验室阶段和小规模试验阶段，功率输出比较低，这与电池构型、电极材料、膜材料、产电微生物等多方面的因素有关，但产电微生物氧化有机物并向阳极传递电子的能力是影响 MFC 电能输出的主要内因。因此，选择高效的产电微生物至关重要。

1 MFC工作原理

MFC 可以利用各种有机物、微生物呼吸的代谢产物、发酵产物、污水等作为燃料，通过微生物作用进行能量转换，把代谢产生的电子传输到细胞表面上，然后电子从细胞表面通过电子传递中介体（由人工添加或微生物自身代谢产生）或直接接触转移到电池阳极，经外电路，阳极上的电子到达阴极，产生外电流；同时将产生的质子通过质子交换膜（PEM）传递到阴极室，在阴极与电子、氧气反应生成水，实现电池内电荷的传递，从而完成整个生物电化学过程和能量转化过程。图1为双室型微生物燃料电池的构造图。

2 MFC 产电微生物的电子传递机制

据研究发现产电微生物向阳极传递电子分2步走，第1步是电子在细胞内产生并向细胞表面传递；第2 步是电子到达细

胞表面后向 MFC阳极传递。

2.1 由细胞内向细胞表面的电子传递

一些产电微生物可依靠其膜上的脱氢酶直接氧化小分子有机酸，释放电子给细胞膜上的电子载体，另一些产电微生物可氧化糖类等稍微复杂的有机物生成 NADH，然后在 NADH脱氢酶的作用下，电子从NADH 转移至电子传递链，到达细胞表面的氧化还原蛋白[1]。

2.2 由细胞表面向 MFC 阳极的电子传递

产电微生物在细胞内氧化有机物产生的电子被传递至细胞表面后，被证实将会通过 2 种传递机制将电子传递到 MFC阳极上，1种是电子穿梭机制；1种是生物膜机制[2]。

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，将代谢产生的电子转移至阳极表面的方式。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阳极表面，需借助可溶性电子穿梭体充当中介体进行电子传递。常见的外加电子中介体包括中性红、蒽醌 - 2，6- 二磺酸钠（AQDS）、硫菫、铁氰化钾、甲基紫精以及各种吩嗪等。此外，一些产电微生物则可通过自身产生的电子穿梭体进行电子传递，如绿脓菌素、质体蓝素、小菌素、肠球菌素 012 和 2，6- 二叔丁基苯醌等少数几种物质。

生物膜机制是产电微生物在阳极表面聚集形成生物膜，通过纳米导线或细胞表面直接接触，细胞内的氧化还原蛋白定量的传递他们代谢的电子到阳极，从而进行电子传递的方式，其不需要电子中介体。纳米导线的存在不仅能够使远离阳极的微生物把产生的电子传递给阳极，而且有证据表明还可以促使电子在微生物细胞之间，甚至微生物种间进行传递，然而这种参与细胞间电子传递的功能对电子向阳极转移的速率有何影响还不确定。有些微生物虽然没有纳米导线，但依旧能够实现电子从细胞表面向阳极的转移，即细胞膜与阳极直接接触进行电子传递。通过显微镜观察可知，尽管这些细胞没有纳米导线，但是存在凸起的小泡，这些小泡可能是电子传递的接触点，细胞外膜的氧化还原蛋白（如细胞色素 C）在此接触点传递电子到阳极[3]。

3 MFC 产电微生物的研究进展

文献中出现的胞外产电微生物、阳极呼吸菌、电化学活性菌、亲电极菌、异化铁还原菌等均指产电微生物，但这些称谓均不合理、不科学。Logan 等提出以“Electricigens”作为产电微生物的规范术语。以下分别对报道过的不外加中介体的 MFC 产电微生物的种类及其研究进展进行总结。

3.1 细菌类的产电微生物

3.1.1 地杆菌 Geobacteracae 家族中的产电菌 Geobacteracae

家族均为严格厌氧菌，其中硫还原地杆菌（Geobactersulfurreducens）和金属还原地杆菌（Geobacter metallireducens）为产电微生物，并且都已完成了全基因组测序[4- 5]。在空气阴极双室 MFC 中，G.sulfurreduces 可降解乙酸盐产生电能（49mW/m2），在此过程中电子向阳极转移的效率可达 95%。其完成电子传递的方式包括在阳极表面形成一层膜状结构，直接向阳极传递电子，以及通过纳米导线传递电子两种方式[6]。金属还原杆菌 G.metallireducens 可氧化芳香族化合物，能将完全氧化安息香酸产生电子的 84%转化为电流[7]。在使用空气阴极双室MFC 中，G.metallireducens，产生的最大功率实际上与废水接种的混菌产生的功率[（38±1）mW/m2]相当。在含有柠檬酸铁和L-半胱氨酸的培养基中测试（用来除去溶解氧），G.metallireducens 的最大功率密度为（40±1）mW/m2，在没有柠檬酸铁的培养基中最大功率密度为（37.2±0.2）mW/m2，而在没有柠檬酸铁或L- 半胱氨酸培养基中最大功率密度为（36±1）mW/m2 [8]。

3.1.2 希万氏菌 Shewanella 家族的产电菌 Shewanella 家族属于兼性厌氧菌，有氧条件下，可彻底氧化丙酮酸、乳酸为CO2。厌氧条件下，能以乳酸、甲酸、丙酮酸、氨基酸、氢气为电子供体。Shewanella oneidensis DSP10 是最早发现的可在有氧条件下产电的菌种，好氧条件下氧化乳酸盐，在微型MFC中可获得较高的功率密度（3 W/m2，体积功率密度为500 W/m3），但电子回收率低于10%。此外，该菌还能氧化葡萄糖、果糖、抗坏血酸产生电能，以果糖为电子供体时微型MFC所获最大体积功率密度达 350 W/m3。S.oneidensis DSP10 向阳极传递电子的机制可能包括电子穿梭机制、直接接触和纳米导线机制[9]。在 Mn4+-石墨盒空气阴极的MFC 中，Shewanalla putrefactions 氧化乳酸盐产生的最大功率密度为10.2 mW/m2，氧化丙酮酸盐产生的最大功率密度为9.4 mW/m2，氧化乙酸盐或葡萄糖产生的功率密度非常低，分别为 1.6 mW/m2和1.9 mW/m2 [10]。在相同的反应器中，希万氏菌（S.putrefacians）产生的最大功率密度是污水接种MFC 的 1/6[11]。当向新鲜基质中加入不同浓度的细胞时，初始电势随浓度升高而增大。推测 S.putrefacians 依靠细胞表面的电化学活性物质向阳极传递电子[10- 11]。

3.1.3 假单孢菌属（Pseudomonas）属中的产电菌铜绿假单孢菌（Pseudomonas aeruginosa）属于兼性好氧菌，能够代谢产生绿脓菌素作为自身或其他菌种的电子穿梭体，将电子传递到阳极上，是最早报道的能够产生电子穿梭体的微生物，从而丰富了MFC 中电子传递机制的认识。但绿脓菌素具有毒性，并非理想的产电微生物[12]。Pseudomonas sp.Q1 能够以复杂有机物喹啉为电子供体产电，其电子传递机制一方面是附着在阳极上的菌体自身菌膜中的某些蛋白质向阳极传递电子，另一方面是依靠附着在电极上的代谢产物传递电子[13]。

3.1.4 弓形菌属（Arcobacter）属中的产电菌布氏弓形菌（Arcobacter butzleri strain ED- 1）和弓形菌（Arcobacter- L）从以乙酸盐为电子供体的微生物燃料电池的阳极分离得到，这 2 种弓形菌占该微生物燃料电池的 90%以上，所得最大的功率密度为 296 mW/L。仅 Arcobacter butzleri strain ED- 1 作产电微生物，该菌能够以乙酸盐为电子供体产电进行代谢，且能短时间内能产生很强的电压（200~300 mV），是非常有潜力的产电微生物[14]。

3.1.5 产氢细菌家族的产电菌丁酸梭菌（Clostridium butyricum）属于严格厌氧菌，能水解淀粉、纤维二糖、蔗糖等复杂多糖。C.butyricum EG3 是首次报道的能够利用淀粉等复杂多糖产电的细菌[15]，同属的拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）能利用淀粉、糖蜜、葡萄糖和乳酸等产电[16]。其电子传递机制不明，有待进一步研究。

产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes）是常见的产氢细菌，为兼性厌氧菌。以产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes XM02）为产电微生物构建的 MFC 能利用多种底物产电，当采用碳毡作阳极材料时，其电子回收率达 33.3%，库伦效率达 42.49%。其电子传递机制为菌体附着在阳极的生物膜产生氢气被阳极催化氧化，并将电子传递至外电路[17]。

3.1.6铁还原红育菌（Rhodofoferax ferrireducens） R．ferrireducens属于兼性厌氧菌，是能以电极为唯一电子受体直接氧化葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖等生成CO2的产电微生物，以葡萄糖为电子供体时电子回收率可达83%，以果糖、蔗糖和木糖为电子供体时电子回收率也可达80%以上。

R．ferrireducens能通过在阳极上形成单层膜结构将产生的电子直接传递到阳极[18]。

3.1.7人苍白杆菌（Ochrobactrum anthrop）i O. anthropi除了能利用简单的有机酸产电外，还可以利用多种复杂的有机物产电，如葡萄糖、蔗糖、纤维二糖、乙醇等。O. anthropi YZ- 1 是Zuo等首次利用稀释U型MFC阳极管的新产电菌分离方法成功分离出来，以乙酸盐为电子供体，其输出的功率密度为89mW/m2，该菌属于条件致病菌，从而限制了其在MFC 中的应用[19]。

3.1.8 其他能够产电的细菌耐寒细菌 Geopsychrobacterelectrodiphilus在MFC 中能彻底氧化乙酸、苹果酸、延胡索酸和柠檬酸等产电，电子回收率在90%左右，它具有能够在低温海底环境中生长的优势[20]。Desulfoblbus propionicus 能够以乳酸、丙酸、丙酮酸或氢为电子供体产电，在 MFC中的电子回收率低[21]。酸杆菌门（Acidobacteria）的 Geothrix fermentan 以电极为唯一受体时，可以彻底氧化乙酸、琥珀酸、苹果酸、乳酸等简单有机酸，虽然以乙酸为电子供体时的电子回收率高达94%，但电流输出较低[22]。克雷伯氏肺炎菌（Klebsiella pneumoniae L17）能够在阳极上形成生物膜，直接催化氧化多种有机物产电[23]。嗜水气单孢菌（Aeromonas hydrophilia）也可以产电，但其具有毒性，能使人类和鱼类致病[24]。

3.2 真菌类的产电微生物

异常汉逊酵母（Hansenula anomala）是一种酵母真菌，当以葡萄糖为电子供体时产生的最大体积功率密度为 2.9 W/m3。它能通过外膜上的电化学活性酶将电子直接传递到阳极表面，研究表明膜上存在乳酸脱氢酶、NADH- 铁氰化物还原酶、NADPH- 铁氰化物还原酶和细胞色素 b5[25]。

3.3 光合微生物类的产电微生物

最早研究人员以光合微生物作产电微生物，需加入电子传递体，才能进行产电。随后研究人员发现光合微生物一个普遍的特点是能够产生分子氢，可以将 H2/H+作光合微生物与阳极之间的天然电子中介体。近几年研究者一直致力于发现不需要任何形式的电子中介体的光合微生物作产电微生物。Gorby等的研究报道中虽然未说明以集胞藻（Synechocystis strainPCC6803）为产电微生物的 MFC 的电流产生的情况，但在该光合微生物体上发现了纳米导线。

沼泽红假单孢菌（Rhodopseudomonas palustris DX- 1）是Xing 等发现的光合产电菌，该菌能利用醋酸、乳酸、乙醇、戊酸、酵母提取物、延胡索酸、甘油、丁酸、丙酸等产电。以醋酸盐作电子供体，由其催化的MFC 最大输出功率密度高达 2 720mW/m2，高于相同装置菌群催化的 MFC[27]。小球藻（Chlorellavulgaris）为一类普生性单细胞绿藻，是一种光能自养型微生物。何辉等构建的由其催化的 MFC 最大输出功率密度为 11.82mW/m2，且电子传递主要依赖于吸附在电极表面的藻，而与悬浮在溶液中的藻基本无关[28]。上述这些光合微生物是否是不需要任何形式的电子中介体而能直接向阳极传递电子，目前的研究结果还不能给予肯定。

3.4微生物群落作产电微生物

迄今为止，只出现过个别微生物纯种产电的功率密度高于或接近于混合微生物的报道。一些研究表明，在MFC产电微生物群落中地杆菌属（Geobacter）或希瓦氏菌属（Shewanella）是优势菌体。但也有一些研究中表明，MFC中的微生物群落具有更加广泛的多样性。Xing等以废水为产电微生物群落的来源，发现连续给予光强为4 000 lx的光照，会改变阳极上附着的产电微生物群落，改变后的产电微生物群落以光合微生物 R.palustris 和 G. sulfurreducens 为优势菌，并且当以葡萄糖为电子供体时的功率密度提高了 8%~10%，以醋酸盐为电子供体时的功率密度提高了34%[27]。Fedorovich等以海洋沉积物为产电微生物群落的来源，当以乙酸盐为电子供体时，产电微生物群落以弓形菌属中的A. butzleri strain ED- 1 和弓形菌 Arcobacter- L为优势菌（占90%以上），所得最大的功率密度为 296 mW/L[14]。

4 展望

MFC 自身潜在的优点使人们对其发展前景看好，但要作为电源应用于实际生产与生活还比较遥远。主要原因是输出功率密度远远不能满足实际要求。无论是哪一类产电菌，其电子转移方式，效率和速率是影响电池电能输出的主要因素[29]。从提高MFC 的产电能力出发，对产电微生物的研究将推动 MFC的发展。

未来，MFC 产电微生物的研究将主要集中在以下几个方面：筛选更多优良的产电菌种；基因改造获得高效产电菌株；产电微生物的代谢途径和电子向阳极的传递机制；寻找微生物群落产电的驯化富集方法；MFC 生物膜的微生物生态学研究；选择合适菌种组合。

虽然生物能量的利用和研究仍然处于起步阶段，但完全可以相信，随着微生物学和电化学技术的不断发展，微生物燃料电池将会成为未来利用各种有机（废）物发电的技术核心。

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