電化學活性微生物在微生物燃料電池陽極中的應用

張逸馳 蔣昭泓 劉穎

摘 要 微生物燃料電池是一種利用電化學活性微生物催化降解有機物的同時產(chǎn)生電能的新型產(chǎn)能裝置。陽極電化學活性微生物特征及催化活性是影響微生物燃料電池產(chǎn)電效率的關(guān)鍵因素之一。本文對應用于陽極上的電化學活性微生物的富集、來源、菌種的生理生化特征及產(chǎn)電能力等進行了綜述。

關(guān)鍵詞 微生物燃料電池; 電化學活性微生物; 異化鐵還原菌; 陽極呼吸菌; 評述

1 引 言

微生物燃料電池（Microbial fuel cell， MFC）可利用污水中的有機物、人類和動物排出的廢物、農(nóng)作物的廢棄秸桿等發(fā)電，具有降解污染物的同時進行產(chǎn)能的雙重功能，作為一種新能源技術(shù)已引起中外研究者們的極大興趣[1～5]，迄今已有百余年歷史。由于輸出功率較低，尚未實現(xiàn)有意義的大規(guī)模實際應用。近年來， MFC的輸出功率已提高3～4個數(shù)量級[4，6，7]。在MFC的研究中，對用于陽極的產(chǎn)電微生物研究較為集中，富集在陽極上的電化學活性微生物將有機物氧化用于代謝過程中，產(chǎn)生的電子經(jīng)過外電路傳遞給陰極，在陰極與電子受體結(jié)合，這些氧化還原反應使產(chǎn)生的電子不斷傳遞并在外電路中形成電流^[8，9]。在目前的報道中，MFC陽極中用于產(chǎn)生電流的微生物有幾種名詞，如電化學活性微生物、胞外產(chǎn)電菌及陽極呼吸菌（Electrochemically active bacteria， exoelectrogenic bacteria and anode respiring bacteria）等。電極表面性質(zhì)和結(jié)構(gòu)影響細菌的產(chǎn)電機理和產(chǎn)電能力，本文中統(tǒng)稱這類產(chǎn)電的微生物為電化學活性微生物。由于各物質(zhì)在電極上發(fā)生反應時表現(xiàn)出各自不同的電化學活性特征，以及不同產(chǎn)電微生物與電極間表現(xiàn)出電子傳遞特征的差異性^[10]，目前發(fā)現(xiàn)的微生物與電極間電子傳遞主要有納米導線^[2]、細胞外膜蛋白^[11]及利用微生物自生中介體或外加中介體^[12] 3種方式，完成微生物與電極間的電子轉(zhuǎn)移。但常常幾種方式同時作用，如圖1所示。

這類電化學活性微生物在利用電子給體進行氧化的過程中，不同的微生物對于電子給體用于自身細胞物質(zhì)的合成與用于產(chǎn)電的比率是不相同的;同一種微生物對不同電子給體的作用也是不同的。如有些微生物能將絕大多數(shù)電子給體氧化而用于產(chǎn)電，最高比率可達90%以上，有些微生物則將大部分有機物用于同化過程而只氧化少部分電子給體 （40%以下），可見電化學活性微生物在電極表面的催化活性是直接與菌種本身對底物利用的特性相關(guān)。因此，了解各產(chǎn)電微生物的生理生化特性、篩選優(yōu)勢的產(chǎn)電微生物及分析不同菌種間的協(xié)同作用，對于進一步深入揭示微生物在陽極表面的電子傳遞機制及提高電化學催化能力為加速微生物燃料電池的實際應用具有重要意義。

2 電化學活性微生物的來源、富集、分離及鑒定

有關(guān)電化學活性微生物在MFC中的研究主要有混合菌及純菌種兩類，純菌種不但底物來源較窄而且操作要求非常嚴格，混合菌除了具有從周圍環(huán)境中容易獲得及對環(huán)境條件容易適應外，同時在操作上具有相對簡單的特點，尤其是對底物的選擇更加廣泛，所以電化學活性混合菌在實際應用中表現(xiàn)出更加獨特的優(yōu)勢。從環(huán)境中進行電化學活性微生物的富集培養(yǎng)可采用三電極體系的半電池裝置或應用MFC裝置體系，或者直接先篩選鐵還原菌，再從中進一步篩選具有鐵還原性的電化學活性微生物。另一方面，為更清晰地研究電化學活性微生物的具體產(chǎn)電機理，需要對群落中的優(yōu)勢菌株進行分離純化，分離純化后的菌株可作為理論模型菌利用其降解代謝的具體途徑去探索其內(nèi)部的產(chǎn)電機理。

2.1 電化學活性微生物來源、富集及群落特征

環(huán)境中存在著大量電化學活性微生物，廣泛分布在工業(yè)廢水包括乳業(yè)的糞肥、制作啤酒的廢水、海底沉積物、厭氧活性污泥等自然環(huán)境中。目前，已有研究以厭氧顆粒污泥、消化污泥、生活污水以及牛胃液等作為接種源，成功啟動微生物燃料電池，得到的電化學活性微生物群落表現(xiàn)出不同的群落特征及不同的產(chǎn)電能力。對于從不同來源和不同富集條件富集而來的微生物在種類、群落及產(chǎn)電能力上存在著很大差異。乙酸鹽作為厭氧環(huán)境中含量最多最簡單的有機酸，是MFC中最常用的底物，在以乙酸鈉為底物富集到的MFC微生物群落中變形菌門（Proteobacteria）占多數(shù)，其中大部分為地桿菌屬，地桿菌是陽極電化學活性微生物群落中的主要微生物^[13]。另外，以不同有機酸為底物時，MFC的庫倫效率明顯不同，如醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽為底物時，庫侖效率分別為72.3%，36.0% 和43.0%^[14]。葡萄糖也是MFC中常用底物之一，其中從美國Oyster Bay的厭氧沉積物中富集分離到的R. ferrireducens能直接將葡萄糖氧化為二氧化碳，但對大多數(shù)微生物而言，在以葡萄糖作為底物的MFC中，不同微生物降解葡萄糖時會產(chǎn)生不同種類的副產(chǎn)物，副產(chǎn)物對電池的功率密度和庫侖效率也有影響，從而導致陽極上的電化學活性微生物種類也具有多樣性。復雜有機物纖維素在自然界中普遍存在，已有利用瘤胃微生物作陽極生物催化劑與周期性添加纖維素作為底物成功使MFC運行2個多月的先例， 其中Clostridium spp.是附著生長的優(yōu)勢菌，當加入不同的底物時，所富集到的菌種也是不同的^[15]。而在Rezaei等^[16]設(shè)計的U形管MFC，同樣以瘤胃微生物和纖維素分別為催化劑和為底物，分離到的可以利用纖維素產(chǎn)電的微生物是Enterobacter cloacae。 同樣，從海底沉積物中及從河水中直接富集到的菌群中也有很大差別^[13，17]。可見，所富集的菌群組成特征依賴于菌群的來源及富集環(huán)境。

對菌落的分析可采用傳統(tǒng)的Sanger測序技術(shù)，但針對該技術(shù)檢測通量低和檢測靈敏度不高等問題，已有研究者采用其它聯(lián)用技術(shù)提高測試性能。例如DGGE方法，具有可靠、可重復、快速等特點，已成為分析微生物群落的多樣性及動態(tài)變化的重要工具，為目前分析MFC中微生物群落結(jié)構(gòu)的常用方法^[18]?；蛭膸旆治龇ㄒ彩浅Ｓ玫姆肿由飳W分析技術(shù)，進行16S rDNA克隆文庫構(gòu)建，獲取更為精細的微生物群落結(jié)構(gòu)，進而獲得特定環(huán)境中的細菌群落結(jié)構(gòu)和細菌多樣性信息。通過構(gòu)建16S rDNA克隆文庫，已經(jīng)取得以厭氧污泥為接種源，，并以麥秸為底物而富集的電化學活性微生物群落結(jié)構(gòu)^[18]。近來對菌落的群落分析出現(xiàn)了更為先進的高通量測序技術(shù)，該方法可以更加準確地對微生物群落進行分析，已逐漸成為目前研究微生物種群最先進的分子生物學技術(shù)。該方法已多次用于分析MFC中所利用的電化學活性微生物群落結(jié)構(gòu)特征^[19]。

2.2 電化學活性微生物菌種的分離與鑒定

對于表現(xiàn)出電化學活性的微生物群落可以進一步進行單一菌種的分離和鑒定工作，目前分離電化學活性微生物主要的應用方法有： 稀釋涂布平板法^[20]、生物激光印刷法（BioLP） [21]、U形管式的減絕-稀釋培養(yǎng)法（Dilution-to-extinction）^[22]等。

分離純菌種的經(jīng)典的稀釋涂布平板方法可用于從三電極電化學體系或MFC裝置富集到的群落中進行具有電化學活性的純菌種的分離。該方法簡單，易于操作，但由于這種方法很難直接用于從總菌落的稀釋液中尋找產(chǎn)電菌，所以對于分離電化學活性菌有一定的困難。但是若欲分離具有鐵還原能力的產(chǎn)電菌，可采取在培養(yǎng)基中加入檸檬酸鐵，篩選需要Fe（Ⅲ）進行生長的電化學活性微生物，淘汰不具鐵還原能力的菌種，進而提高選擇到具有鐵還原能力的電化學活性菌的機率。平板劃線分離法與稀釋平板法相比，操作較簡單，但直接應用也存在對產(chǎn)電菌沒有選擇性的問題。減絕-稀釋法的U型管法是最近發(fā)現(xiàn)的一種新的分離電化學活性菌的有效方法^[23]，具體過程是采用一個直型和一個彎曲型玻璃厭氧管分別作陽極和陰極室，將從電極收集的混合菌連續(xù)稀釋后，重新接入MFC中，混合菌體在稀釋到一定倍數(shù)時，群落中的劣勢電化學活性菌種會被淘汰，從而使其中優(yōu)勢菌種在電極上得到單一培養(yǎng)，這樣使分離到單一優(yōu)勢菌成為可能。這種方法避免了傳統(tǒng)分離方法的冗長過程，對得到具有優(yōu)勢的電化學活性菌簡單有效。該方法是根據(jù)菌株的電化學活性能力，而不是還原鐵的能力將不同菌株分離，所以可以克服采用鐵還原篩選法中丟失無還原鐵能力的電化學活性菌的問題^[24]。

對于直接分離得到的菌株，可采用16S rDNA方法進行微生物物種鑒定，通過對細菌基因組中的16S rDNA進行克隆測序，最后在Genbank數(shù)據(jù)庫中進行核酸序列比對及大量的生理生化實驗進行細菌鑒定。近年來，科研者分離出的具有電化學活性和產(chǎn)電功能的微生物種類很廣，包括原核細菌、綠藻及真核酵母菌^[25]。但是，總的來說目前已發(fā)現(xiàn)的電化學活性菌的種類還很有限，對這些微生物與電極間電子轉(zhuǎn)移機理的認識還需要做更深入的工作。

3 電化學活性微生物的特征及產(chǎn)電能力

目前，從微生物燃料電池中分離出的電化學活性微生物主要以細菌為主，分別為變形菌門、厚壁菌門和酸桿菌門（見表1）。變形菌門是目前研究中發(fā)現(xiàn)電化學活性微生物最多的一門，且發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)產(chǎn)電菌為異化金屬還原菌，并且多數(shù)為革蘭氏陰性菌，其中兼性厭氧菌和嚴格厭氧菌偏多。Shewanella和Geobacter是最早研究和研究得較多的兩個屬，常用來作為研究微生物與電極間電子機理的模式菌。此外，真菌門的酵母菌也發(fā)現(xiàn)具有產(chǎn)電能力。第一個發(fā)現(xiàn)的不需添加介體的產(chǎn)電的微生物是異化Fe還原菌Shewanella putrefaciens^[45]，屬γ-變形菌綱，但S. putrefaciens不能將底物徹底氧化，而能與電極間直接進行電子轉(zhuǎn)移的δ-變形菌綱中的G. sulfurreducens可將醋酸鈉徹底氧化為二氧化碳^[13]。對Fe的還原能力及對氧的耐受性常常是菌種的主要特征，已發(fā)現(xiàn)的電化學活性微生物按其對Fe的還原能力可分為嚴格厭氧、兼性厭氧及專性好氧的異化鐵還原菌或非異化鐵還原菌5類，下面分別簡述這幾類主要電化學活性菌的生理生化及產(chǎn)電特征。

3.1 嚴格厭氧鐵還原菌

鐵元素是地殼中含量第四高的元素，與生物地球化學循環(huán)及土壤中許多重要元素轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，它對促進土壤物質(zhì)循環(huán)具有重大的環(huán)境意義，其中鐵還原微生物在元素的生物地球化學循環(huán)中扮演著重要角色。已有報道以固體鐵氧化物為電子受體時細菌的電子轉(zhuǎn)移過程與以固體電極為電子受體時有相似的機理，盡管目前對這些機理的認識還不是很清楚，但這已為進一步揭示電化學活性微生物與電極間的電子轉(zhuǎn)移機制有很大幫助。目前發(fā)現(xiàn)的嚴格厭氧菌中能還原鐵，且同時能以固體電極為電子受體的菌，主要分布在變形菌門中的δ-變形菌綱、厚壁菌門中的梭菌綱和酸桿菌門中的全噬菌綱中。其中，硫還原地桿菌（Geobacter sulfurreducens）和金屬還原地桿菌（Geobacter metallireducens）是目前研究得較多的電化學活性菌種。其所形成的電化學活性微生物膜在底物不存在時通過循環(huán)伏安測試可以觀察到兩對明顯的氧化還原峰（相對于Ag/AgCl電極，式電位分別為 Symbolm@@ 376和 Symbolm@@ 295 mV），在底物存在時表現(xiàn)出典型“S”形的對底物的催化特征^[1，46]。

3.1.1 變形菌門中的δ-變形菌綱 （1）硫還原地桿菌（Geobacter sulfurreducens）屬于Geobacteraceae科，地桿菌屬（Geobacter），為革蘭氏陰性菌，專性厭氧，電子供體較少，僅能以乙酸和氫氣為電子供體，F(xiàn)e、S、Co-EDTA、延胡索酸和蘋果酸為電子受體，多分布于污泥中。G. sulfurreducens是最早報道的厭氧條件下以電極為電子受體完全氧化電子供體的微生物。由于G. sulfurreducens可在電極表面附著生長，細胞間又可形成多層細胞組成的厚度達50 μm厚的生物膜，它是研究具有電化學活性微生物膜的模式菌種，通過循環(huán)伏安法已證實該微生物膜具有較高的電化學活性（1600 μA/cm2）^[1]。G. sulfurreducens的

全基因組的序列信息已闡明，可作為模式菌研究細胞與電極間電子傳遞機制。（2）金屬還原地桿菌（Geobacter metallireducens）屬地桿菌科（Geobacteraceae），革蘭氏陰性菌， 專性厭氧，能還原鐵、錳及鈾等來降低放射性元素的污染，以氧化鐵為電子受體時能氧化有機酸為二氧化碳及氧化短鏈脂肪酸、乙醇和苯等，具有降低或消除有害污染物毒性的能力，該菌可與電極間直接進行電子交換，產(chǎn)電能力較好（180 A/m3）^[38]。（3）Geopsychrobacter electrodiphilus屬于Geobacteraceae科，為革蘭氏陰性菌，在MFC 中能徹底氧化乙酸、蘋果酸、延胡索酸和檸檬酸等產(chǎn)電，其具有在低溫海底環(huán)境中生長的優(yōu)勢使它更適合用于發(fā)展海水沉積型MFC^[39]。（4）丙酸脫硫葉菌（Desulfoblbus propionicus）屬于Desulfobulbaceae科，脫硫球莖菌屬（Desulfoblbus），革蘭氏陰性桿狀菌，但通常用于MFC中產(chǎn)電效率較低（130 mA/L） ^[47]。

3.1.2 厚壁菌門中的梭菌綱（有電化學活性的革蘭氏陽性菌） 丁酸梭菌（Clostridium butyricum）屬于梭菌屬，菌體梭狀，革蘭氏陽性，嚴格厭氧。C. butyricum EG3是首次報道的能利用淀粉等復雜多糖產(chǎn)電的革蘭氏陽性菌株，革蘭氏陽性菌與電極間的電子傳遞機理是否與革蘭氏陰性菌相同還有待于深入研究^[48]。此外，同屬的C. beijerinckii（拜氏梭菌）也可以利用淀粉、糖蜜、葡萄糖和乳酸等產(chǎn)電。

3.1.3 酸桿菌門中的全噬菌綱（Holophagae） Geothrix fermentans屬于全噬菌科（Holophagaceae），Geothrix屬，嚴格厭氧，革蘭氏陰性菌。G. fermentans是從石油污染的鐵還原環(huán)境中分離出的嚴格厭氧菌，它以電極為唯一電子受體時，能夠徹底氧化乙酸、琥珀酸、蘋果酸、乳酸、丙酸等簡單有機酸，但產(chǎn)電能力較低^[43]。

3.2 兼性厭氧鐵還原菌

3.2.1 變形菌門中的α-變形菌綱 隱藏嗜酸菌（Acidiphilium cryptum）屬于Rhodospirillales目、Acetobacteraceae科、Acidiphilium屬。Acidiphilium cryptum是從礦物污水的沉積物中分離出的一株革蘭氏陰性細菌，A.cryptum是首次報道的可以在酸性條件下催化MFC的電化學活性微生物^[28]，但并不能直接將電子傳遞到電極上，所以在沒有中間介體時無法產(chǎn)電。

3.2.2 變形菌門中的β-變形菌綱 鐵還原紅育菌（Rhodoferax ferrireducens）屬于叢毛單胞菌科、紅育菌屬，革蘭氏陰性，兼性厭氧。最適生長溫度為25～30 ℃。在以Fe3+為電子受體時，可以將葡萄糖徹底轉(zhuǎn)化為CO2獲得能量生長，該菌是最早報道的以電極為電子受體時能直接徹底氧化葡萄糖的電化學活性微生物^[31]，是發(fā)展微生物燃料電池很有潛力的菌種。

3.2.3 變形菌門中的γ-變形菌綱 （1）希瓦氏菌（Shewanella）屬于希瓦氏菌科（Shewanellaceae），革蘭氏陰性、兼性厭氧。希瓦氏菌是研究MFC的模式菌屬，該屬可以將產(chǎn)生的電子直接傳遞到陽極。S. putrefactions IR-1是最早分離出來的能直接將電子傳遞給電極的電化學活性微生物，能還原鐵^[49，50]。而S. oneidensis DSP10是最早發(fā)現(xiàn)的可在有氧條件下產(chǎn)電的菌種，在好氧條件下能將乳酸氧化成CO2并產(chǎn)電，另一菌株S. oneidensis MR-1可以還原Fe和Mn（Ⅳ）的氧化物，是研究電化學活性微生物與電極間電子傳遞機理時常用的模式電化學活性微生物，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該菌株可以分泌核黃素（Riboflavin），是該菌與電極間電子交換的不可缺少的一種媒介體[[49]。（2）銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa） 屬于假單胞菌科 （Pseudomona-daceae），革蘭氏陰性桿菌，兼性好氧，P. aeruginosa在產(chǎn)電的同時能夠產(chǎn)生綠膿菌素（Pyocyanin），并作為自身和其他菌種與電極間的電子傳遞介體而提高產(chǎn)電能力，該菌是最早被報道的自身能產(chǎn)生電子介體的微生物^[51]。但由于綠膿菌素與其它人為添加的電子介體一樣具有毒性，所以它并不是用于MFC中的理想電化學活性微生物。（3）肺炎克雷伯菌（Klebisella pneumonia） 屬于腸桿菌科 Enterobacteriaceae，革蘭氏陰性菌，在厭氧環(huán)境下能以電極為電子受體時在陽極上形成的生物膜可直接催化氧化多種有機物而產(chǎn)電，產(chǎn)電性能較好^[37]。

3.3 好氧異化鐵還原菌的變形菌門中的γ-變形菌綱

Aeromona shydrophilia（嗜水氣單胞菌）屬于Aeromonadaceae科，Aeromonas屬，革蘭氏陰性菌，由于其致病性，不宜用于MFC研究^[52]。

3.4 兼性厭氧非鐵還原菌

3.4.1 變形菌門中的α-變形菌綱 （1）類球紅細菌（Rhodobacter sphaeroides），屬于Rhodobacterales目、Rhodobacteraceae科、Rhodobacter屬，光合細菌，為革蘭氏陰性菌。在好氧黑暗條件下可以利用乙酸、檸檬酸、酒石酸、甘露醇、甲醇和乙醇等;在黑暗厭氧條件下，可以利用丙酮和糖類，但發(fā)酵能力微弱，此菌多分布于光照的死水中^[53]。該菌用于光合生物燃料電池時在負載高時輸出能量較低^[27]。（2）沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）屬于慢生根瘤菌科（Bradyrhizobiaceae），革蘭氏陰性。該菌最佳的生長方式為光能異養(yǎng)， R. palustris是最早報道具有電化學活性的α-變形菌，它能利用甲酸鹽、丁酸鹽、丙酸鹽、戊酸鹽、乳酸鹽、延胡索酸鹽、乙醇、甘油、酵母膏以及無機物硫代硫酸鹽等多種底物產(chǎn)電，其中利用乙酸鹽產(chǎn)電的功率輸出密度最高^[54]。最近，Logan研究組發(fā)現(xiàn)R. palustris DX-1菌株除了具有廣泛的產(chǎn)電底物外，還具有更高的產(chǎn)電能力，用該菌催化的MFC最大產(chǎn)電功率輸出遠高于利用混合菌群^[26]。

3.4.2 變形菌門中的β-變形菌綱 Comamonas denitrificans是一種反硝化細菌^[55]，屬于Burkholderiales科，Comamonas屬，革蘭氏陰性，兼性厭氧。該菌可以利用延胡索酸、丙二酸、丙酮酸、乳酸以及乙酸為電子給體，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一能產(chǎn)電的反硝化細菌，由于在硝酸鹽存在時，在產(chǎn)電的同時可以產(chǎn)生氮氣，所以可以維持陽極區(qū)的厭氧環(huán)境。

3.4.3 變形菌門中的γ-變形菌綱 大腸桿菌（Escherichia coli）屬于腸桿菌科（Enterobacteriaceae），埃希菌屬（Escherichia），革蘭氏陰性菌，兼性厭氧，具有呼吸和發(fā)酵兩種代謝類型。一般使用大腸桿菌時需要加入適合的介體如中性紅才能在MFC中產(chǎn)電，有報道其最大輸出功率為100 mW/m2 [36]。另外，也有報道E. coli K12可利用葡萄糖直接產(chǎn)電，產(chǎn)生的最大功率為600 mW/m2[36]。

3.5 好氧非鐵還原菌的變形菌門中的α-變形菌綱（α-Proteobacteria）

（1）人蒼白桿菌（Ochrobactrum anthropi）屬于布魯菌科（Brucellaceae），蒼白桿菌屬（Ochrobactrum），革蘭氏陰性，專性好氧。 O. anthropi能利用廣泛的底物，具有多種代謝途徑，需要注意的是該菌是條件致病菌。O. anthropi YZ-1是Logan研究組首次利用減絕-稀釋的U型管法分離出來的菌株^[23]。（2）氧化葡糖桿菌（Gluconobacter oxydans）屬于醋酸桿菌科（Acetobacteraceae），葡糖桿菌屬（Gluconobacter），革蘭氏陰性菌。該菌是由Lee在2002年首次報道，以電極為其電子受體在介體存在時利用MFC產(chǎn)電的特征來檢測細菌對不同碳源的響應能力，但該菌產(chǎn)電能力較低^[57]。

3.6 真菌界

近年來，在真菌界也發(fā)現(xiàn)一些具有電化學活性的微生物^[58]。

3.6.1 釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） 釀酒酵母菌屬于真菌界 （Fungi）、酵母科（Saccharomycetaceae），兼性厭氧，可以葡萄糖作為底物及以亞甲基藍作為中間介體進行產(chǎn)電。由于以釀酒酵母制備的MFC具有適用范圍廣和便于機理研究等方面的優(yōu)勢，該菌目前也成為MFC中的研究熱點^[59]。

3.6.2 異常漢遜酵母（Hansenul aanmala） 該酵母屬于真菌界 （Fungi），毛霉科（Mucoraceae），兼性厭氧。 H.anmala是最早報道的可以產(chǎn)電的真菌，其產(chǎn)電不需要加入中間介體，可直接將電子傳遞到電極上^[60]。該酵母可利用葡萄糖產(chǎn)電，但與其它產(chǎn)電細菌相比，酵母產(chǎn)電能力較低。

3.7 影響電化學活性微生物產(chǎn)電能力的主要因素

對于MFC的陽極，分布在細菌和真菌中的電化學活性微生物具有豐富的物種多樣性，目前隨著研究的不斷深入仍在不斷增加，這些已發(fā)現(xiàn)的不同菌株表現(xiàn)出明顯不同的產(chǎn)電特性。盡管表1中所列出的不同菌株產(chǎn)生的電流或功率來源于一篇文獻，實際上對于不同工作中的數(shù)據(jù)不能直接對比，但考慮到每個實驗條件及操作方法，各數(shù)值間已表現(xiàn)出普遍性規(guī)律，如地桿菌產(chǎn)電能力較高，革蘭氏陽性產(chǎn)電菌株較少，且產(chǎn)電能力也較弱。與傳統(tǒng)燃料電池相比，目前所有菌株的產(chǎn)電能力仍極低。由于胞內(nèi)的電子從胞內(nèi)跨膜傳遞到胞外固體電極的過程中要將有機物在以電極為電子受體時進行氧化同時釋放出電子和質(zhì)子，釋放出的電子要不斷地由外膜傳遞到電極上進而進入外電路中。其中有些特定的菌株（如地桿菌屬）具有內(nèi)在獨特的呼吸鏈表出對特定有機物的利用及向細胞外膜的電子傳遞能力較高，從而表現(xiàn)出較好的產(chǎn)電能力?？梢?，不斷優(yōu)化菌種并根據(jù)這些產(chǎn)電的優(yōu)勢菌株生產(chǎn)工程菌是提高電化學活性微生物產(chǎn)電能力的內(nèi)在因素。另外，電極材料的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)也是影響微生物產(chǎn)電的重要因素，多孔及石墨烯材料^[6]為電子受體時， 產(chǎn)電菌已表現(xiàn)出較高的電化學催化性能。

4 MFC的應用展望

MFC將生物可降解的物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為電能，雖然MFC在電能輸出方面目前尚無競爭優(yōu)勢，但是在很多方面仍有很好的應用前景。如利用電化學活性微生物構(gòu)建的MFC或Microbial electrolysis fuel cell （MEC）平臺，已在污水處理、生物修復、制取生物燃料及用于生物傳感器等諸多方面顯示出極大的開發(fā)應用前景[61～64]。尤其是利用MFC的電量與底物BOD濃度之間的線性關(guān)系，作為生物傳感器可實現(xiàn)污水在線監(jiān)測，同時克服傳統(tǒng)BOD5方法耗時長、過程繁瑣及不能在線檢測的不足^[64]，利用優(yōu)化的電化學活性微生物可進一步提高對污水中BOD監(jiān)測的靈敏度及縮短響應時間，構(gòu)建低成本和高性能的MFC型BOD傳感器是發(fā)展污水監(jiān)測的有潛力的方向。另外，MFC在^[5]及二氧化碳還原^[65]等方面的應用研究也在不斷開發(fā)。但目前MFC的成本較高、輸出功率仍不理想，微生物與電極間的電子轉(zhuǎn)移機理尚不清楚，所以還未真正實現(xiàn)大規(guī)模的實際應用。

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Application of Electrochemically Active Bacteria as

Anodic Biocatalyst in Microbial Fuel Cells

ZHANG Yi-Chi， JIANG Zhao-Hong， LIU Ying*

（College of Life Sciences， Northwest A & F University， Yangling 711100， China）

Abstract Microbial fuel cell （MFC） is a novel device with the function to produce energy and degrade organic materials. The characteristics of anodic electrochemically active bacteria and catalytic activity are one of key factors to affect MFC performance. This review summarized the enrichment， source， taxonomy， physiological and biochemical characteristics and electricity production ability of electrochemically active bacteria.

Keywords Microbial fuel cell; Electrochemically active bacteria; Dissimilatory iron-reducing bacteria; Anode respiring bacteria; Review

（Received 19 July 2014; accepted 7 October 2014）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （No.21375107）