浅析微生物纳米导线电子传递机制及其应用
微生物燃料电池的研究现状及其应用前景
微生物燃料电池的研究现状及其应用前景刘想【摘要】微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)技术作为一种节能型污水处理新技术,能够氧化降解各类有机污染物,并同步产生清洁电能,在污废水处理、生物传感器、生态修复等领域具有发展潜力.简述MFCs的基本结构、分类及工作原理,详细介绍MFCs研究现状、研究热点、应用领域,着重分析石墨烯基电极材料对MFCs产电性能的影响,总结并展望MFCs应用前景.【期刊名称】《镇江高专学报》【年(卷),期】2018(031)001【总页数】5页(P44-48)【关键词】微生物燃料电池;电极材料;产电性能【作者】刘想【作者单位】镇江高等专科学校医药与化材学院,江苏镇江212028【正文语种】中文【中图分类】TM911.451 微生物燃料电池技术微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)技术作为一种新型的生物电化学系统，以电化学技术为基础，利用微生物作为催化剂将储存在有机物中的化学能转化为电能[1]。
MFCs是电子的获得与传递过程，即阳极微生物在无氧条件下降解或氧化有机物，产生电子并通过细胞呼吸酶在胞内传递，产生的质子则穿过内膜，流过ATP酶，使 ADP转化为 ATP，为细胞提供能量，电子进而被释放，传递给阳极，再由阳极传递至阴极，并产生相应的由阴极到阳极的电流。
MFCs可以利用微生物直接将废水或污泥中的有机物降解，还可以将微生物代谢过程产生的电子转化成电流，从而获得电能。
1.1 MFCs的分类随着对MFCs技术研究的深入，研究人员依据其基本原理构建了不同类型的MFCs装置。
对MFCs进行分类有助于深入了解各电池的本质区别。
MFCs类型众多，目前尚没有统一的分类标准。
按照MFCs装置的结构分为单室型MFCs[2]，双室型MFCs[3]，堆栈型MFCs[4]。
图1，图2，图3是3种不同 MFCs构型的实物图。
图1 单室MFCs 图2 双室MFCs 图3 MFCs堆栈单室MFCs又名空气阴极MFCs，其阴极直接暴露于空气中，以空气中的氧气为电子受体。
微生物燃料电池
微生物燃料电池1.引言能源紧张和环境污染是可持续发展面临的重大挑战。
经济发展的同时，能源消耗也在急剧增长，而现有的化石能源消耗则带来了环境质量的不断恶化。
寻找新型能源，实现经济、社会和环境的可持续发展是当今社会的主要研究问题。
清洁能源的发展则成为解决问题的关键。
与此同时，不断发展的生物燃料电池成为了人们关注的焦点。
微生物燃料电池的兴起为可再生能源的生产和废弃物的处理开辟了新途径。
首先，微生物电池的燃料来源比较多样化，如多种有机无机材料，甚至能够直接利用废液、废物作为原料产生电能，净化环境。
其次，微生物燃料电池能够实现无污染、零排放、无需能量输入，满足环境友好型电池的需求。
此外，微生物燃料电池的能量转化效率非常高，可以发展成长效、低廉的能量系统；加上其操作条件是在常温常压的温和条件下工作，实现了电池的低维护成本和高安全性[1]。
微生物燃料电池的发展历史中，经历了几次重大进步。
1911年Potter用酵母和大肠杆菌进行实验，首次实现了微生物产电，从此开启了微生物燃料电池发展的道路[2]。
20世纪80年代，细菌发电取得重大进步，随后微生物燃料电池的输出功率也有了较大的提高，其作为小功率电源使用的实际应用也进一步成为可能。
2002年以后，微生物燃料电池的研究更是进入了飞速发展阶段，研究人员不仅发明了无需电子传递中间体的燃料电池，也在降低内阻、功率输出、优化结构和降低成本等方面都取得了重大进步。
近年来，微生物燃料电池的应用领域也更加宽泛。
2.微生物燃料电池的原理微生物燃料电池是一种利用微生物进行能量转换，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置，能够通过产电菌代谢可生物降解的有机物，并将代谢产生的电子传递到外电路输出电能。
原理如图1所示[3]。
微生物燃料电池中，氧化底物的细菌通常在厌氧条件下将电子通过电子传递中介体或者细菌自身的纳米导线传递给阳极，电子通过连接阴阳两极的导线传递给阴极，而质子通过隔开两极的质子交换膜(Proton exchange membrane, PEM)到达阴极，在含铂的阴极催化下与电路传回的电子和O2反应生成水[4]。
生物电化学系统中微生物电子传递的研究进展
Development of Energy ScienceNovember 2014, Volume 2, Issue 4, PP.39-46 Research Advances in Microbial Electron Transfer of Bio-electrochemical SystemYunshu Zhang, Qingliang Zhao #, Wei LiSchool of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China#Email:**************.cnAbstractBio-electrochemical system (BES) was an emerging biomass-energy recovery technology based on electricigens electron transfer (EET), which was applied to recover electric energy (e.g. microbial fuel cell, MFC) and resources (such as hydrogen and methane) and to enhance the removal of heavy metals and refractory organic pollutants (e.g. POPs). The process of electron transfer to the electrode was identified as the key process in such a BES system. In this paper, the recent research achievements about EET both at home and abroad were analyzed and summarized, and the electricigen diversity, the electron transfer pathways and study methods were systematically presented. Finally, the direction of EET research was pointed out.Keywords: Bio-electrochemical System; Microbial Fuel Cell; Electricigens; Electricigen Electron Transfer生物电化学系统中微生物电子传递的研究进展*张云澍，赵庆良，李伟哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨 150090摘要：生物电化学系统（bio-electrochemical system，BES）是一种新兴的以产电微生物电子传递（EET）为基础的生物质能源回收技术，可用于电能（如微生物燃料电池）和资源回收（包括氢气和甲烷等），此外还可用于强化重金属与难降解有机污染物（如POPs）的去除，而其中产电微生物将产生的电子传递到电极是BES的重要过程。
纳米材料介导微生物胞外电子传递过程的研究进展
纳米材料介导微生物胞外电子传递过程的研究进展摘要：微生物胞外电子传递（EET）过程在自然界中普遍存在，并且在能源利用和环境修复等方面具有广阔的应用前景，但是低效的电子传递一直是其在实际应用中的关键瓶颈。
纳米材料具有独特的表面效应、体积效应、量子尺寸及宏观量子隧道效应等性质，引入纳米材料与电活性微生物相结合实现优势互补，可以缩短电荷转移路径，从而提高EET 效率。
本文综述了EET 方式，以及纳米材料的电子转移能力、氧化还原电势、表面结构与性质、生物相容性及纳米材料-微生物的界面构筑对EET过程的影响，重点阐述了纳米材料与电活性微生物界面构筑的各种策略，并讨论了这些策略的适用性和局限性，最后展望了纳米材料强化电活性微生物EET 的未来研究方向。
关键词：电活性微生物；胞外电子传递；纳米材料；界面；生物催化引言微生物胞外电子传递（extracellular electron transfer，EET）是电活性微生物通过特定的呼吸链将胞内氧化电子供体产生的电子转移到胞外电子受体，实现电子受体还原的同时维持微生物自身生长的过程[1-2]。
该现象于1987 年由Lovley 等[3]发现，此后EET 受到了众多科研工作者的关注。
基于这种能力，EET 在清洁电力生产、污水处理、生物修复、生物传感、高能燃料转化合成等方面具有重要的应用潜力和广阔的发展远景[4-5]。
然而，现阶段电活性微生物和电子受体之间相对低效的电子传递是影响EET在实际中应用的关键因素。
因此开发EET 效率的改善手段，研究其传递机理、影响因素及应用前景研究具有重要现实意义。
目前，强化微生物EET 的手段主要是通过内部遗传改造和外部纳米材料介导的两种途径[6-7]。
对电活性微生物进行遗传改造，主要是从以下两大方面：一是直接增加电子传递相关的功能基因的表达；二是提高调节微生物胞外呼吸的蛋白活性。
然而，只有少数表征良好的电活性微生物可用于遗传改造，且EET 的机制目前尚未完全阐明，导致大多数遗传工具无法广泛使用，限制了遗传改造技术的应用。
微生物燃料电池
微生物燃料电池摘要：微生物燃料电池的研究集中于产电细菌、电极材料和电池反应器构型等方面,同时,微生物燃料电池在废水处理、生物修复等方面具有广阔的应用前景。
本文介绍了微生物燃料电池的原理、影响微生物燃料电池的因素及近几年微生物燃料电池在环境污染治理中的研究进展。
关键词：微生物燃料电池双室质子交换膜微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是利用微生物的催化作用将废弃物中碳水化合物的化学能转化为电能的一种装置[1]。
MFC 是一种清洁能源，符合循环经济、清洁生产和可持续发展的要求。
随着微生物、电化学及材料等学科的发展，MFC 的结构和性能不断改善[2]，逐步向环境领域扩展。
MFC的构造在双室[3]的基础上出现了单室[4]及升流式MFC[5]，底物由单一小分子有机物，如醋酸钠[3]、葡萄糖[4]，转向大分子混合有机物，如氯酚废水[6]、秸秆废水[7]、啤酒废水[8]等。
本文对MFC的工作原理、构造态进行了讨论，对提高MFC性能的途径和方法进行了整合。
1MFC工作原理及结构1.1MFC工作原理微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂,降解有机物(葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等) 产生电子和质子。
产生的电子传递到阳极,经外电路到达阴极,由此产生外电流;产生的质子通过分隔材料(质子交换膜(PEM) 或盐桥) 或直接通过电解液到达阴极,在阴极与电子、氧化物(铁氰化钾、氧气等) 发生还原反应,从而完成电池内部电荷的传递[9]。
而MFC另外一个重要的过程就是电子的转移(图1)[10]。
目前学术界普遍接受的观点有三种：（1）细胞膜：该机理认为，生长在电极表面的细菌只有将细胞膜接触到电极的表面，代谢过程产生的电子才能通过细胞膜中的细胞色素传导到电极上[11]。
有机物在细菌体内代谢，通过同化作用生成细胞体，异化作用生成CO2，释放的电子通过细胞色素传导到电极表面。
直接电子转移需要微生物拥有膜连接电子运输蛋白质中间体，这种中间体能够将电子从细胞内部转移到外部，进而达到固态电子受体表面。
导电性生物炭促进Geobacter和Methanosarcina共培养体系互营产甲烷过程
导电性生物炭促进Geobacter和Methanosarcina共培养体系互营产甲烷过程李坚;汤佳;庄莉;许杰龙【摘要】近年来研究发现互营氧化产甲烷过程中存在种间直接电子传递(direct interspecies electron transfer,DIET),这种电子传递方式比传统的种间氢转移或种间甲酸转移更为高效.导电生物炭作为导电介质,可以有效促进DIET介导的互营产甲烷进程.乙酸作为有机物厌氧降解的重要中间产物,其降解过程是否存在DIET途径尚不清楚,导电生物炭对乙酸互营降解产甲烷过程的影响机制也未有研究报道.以具有DIET功能的Geobacter sulfurreducens和Methanosarcina barkeri菌株为研究对象,构建共培养体系,以乙酸为电子供体,比较添加不同导电性生物炭共培养体系的甲烷产生和微生物生长情况.结果表明:(1)导电性生物炭处理的产甲烷速率为0.015～0.017 mmol·d-1,显著高于对照处理的0.012 mmol·d-1;而不导电生物炭处理的产甲烷速率低于对照处理.说明导电性生物炭促进共培养体系中的产甲烷过程,而不具导电性的生物炭没有促进效应;(2)导电性生物炭存在时,共培养体系的甲烷产生速率(0.008 mmol·d-1)和产量(0.14 mmol)明显高于Methanosarcina barkeri单菌体系的产甲烷速率(0.006 mmol·d-1)和产甲烷量(0.09 mmol),而添加不导电生物炭的共培养体系和单菌体系的甲烷产生速率和产量无明显差异.以上结果表明,导电性生物炭能介导Geobacter sulfurreducens和Methanosarcina barkeri之间的直接电子传递,即Geobacter sulfurreducens氧化乙酸产生的电子,以导电生物炭为导电通道直接传递至Methanosarcina barkeri还原CO2产生甲烷,从而促进乙酸互营氧化产甲烷过程.本研究结果有助于我们理解种间直接电子传递对互营产甲烷过程的贡献及影响效应,为研究甲烷产生的微生物机制提供新的研究思路.【期刊名称】《生态环境学报》【年(卷),期】2018(027)007【总页数】9页(P1260-1268)【关键词】互营产甲烷;乙酸降解;种间直接电子传递;导电性生物炭【作者】李坚;汤佳;庄莉;许杰龙【作者单位】中国科学院广州地球化学研究所,广东广州 510640;中国科学院大学,北京 100039;广东省生态环境技术研究所,广东广州 510650;广东省生态环境技术研究所,广东广州 510650;广东省生态环境技术研究所,广东广州 510650;厦门市环境科学研究院,福建厦门 361006【正文语种】中文【中图分类】X172长期以来，微生物互营过程中的电子转移机制是“种间氢转移”或“种间甲酸转移”，互营微生物以“氢气”或“甲酸”作为电子载体进行微生物间的电子传递（刘鹏飞等，2013；Stams et al.，2009；Sieber et al.，2012）。
微生物燃料电池构造研究进展
微生物燃料电池构造研究进展微生物燃料电池构造研究进展引言在当前全球能源需求日益增长，以及碳排放和环境污染不断加剧的形势下，寻找一种高效、清洁的能源替代方案成为了当务之急。
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称MFC）作为一种新型的能量转化设备，利用微生物固有的代谢特性将有机物（如废水、有机废料等）转化为能量，旨在为解决能源问题和环境保护提供了一种创新的思路。
本文将从微生物燃料电池的构造及研究进展出发，探讨其应用前景和发展方向。
一、微生物燃料电池的构造微生物燃料电池是一种将微生物的代谢活动转化为电能的生物电化学装置。
其主要构造包括阳极、阴极和质子转移膜三个基本部分。
1. 阳极阳极是MFC的重要组成部分，作为微生物的附着载体和电子传递介质，应具备良好的导电性和较大的比表面积。
常用的阳极材料包括碳纳米管、金属氧化物、导电聚合物等。
此外，为了增加阳极表面的微生物负荷量和提高微生物电子传递效率，可以采用改性阳极材料或人工合成材料。
2. 阴极阴极是MFC中与氧气反应的电极，从而完成电荷平衡。
常用的阴极材料有氧还原酶、催化剂等。
同时，为了提高阴极的还原效果，可以采用针对性的表面改性技术。
3. 质子转移膜质子转移膜是将阳极与阴极分隔开的重要组成部分，用于阻止氧气进入阳极区。
传统的质子转移膜材料主要包括聚四氟乙烯（PTFE）和Nafion等。
近年来，研究者们也涌现出许多新型质子转移膜材料，如多孔瓷介质膜、生物膜等。
二、微生物燃料电池的研究进展近年来，微生物燃料电池的研究取得了长足的进展。
以下从不同角度对其研究进展进行综述。
1. 电子传递机制电子传递机制是微生物燃料电池研究中的核心问题之一。
传统观点认为，微生物通过直接电子传递（Direct Electron Transfer，简称DET）或间接电子传递（Mediated Electron Transfer，简称MET）的方式将代谢产物释放的电子传递到阳极上。
微生物胞外呼吸电子传递机制研究进展
微生物胞外呼吸电子传递机制研究进展马晨;周顺桂;庄莉;武春媛【摘要】胞外呼吸是近年来发现的新型微生物厌氧能鼍代谢方式,主要包括铁呼吸、腐殖质呼吸与产电呼吸3种形式.微生物胞外呼吸与传统的有氧呼吸、胞内厌氧呼吸存在显著差异.其电子受体多以同态形式存在于胞外;氧化产生的电子必须通过电子传递链从胞内转移到细胞周质和外膜,并通过外膜上的细胞色素c、纳米导线或自身产生的电子穿梭体等方式,最终将电子传递至胞外的末端受体.胞外呼吸的本质问题是微生物与胞外电子受体(铁/锰氧化物、固态电极或腐殖质等)的相瓦作用,即微生物如何将胞内电子传递至胞外受体.胞外呼吸的研究丰富了人们对微牛物呼吸多样性的认识,同时在污染物原位修复及清洁生物能源提取方面具有重要应用前景,是当前研究的热点问题.总结了胞外呼吸类型和胞外呼吸菌的多样性,重点阐述了胞外呼吸的电子传递过程,并提出了其应用前景及今后的研究方向.【期刊名称】《生态学报》【年(卷),期】2011(031)007【总页数】11页(P2008-2018)【关键词】胞外呼吸;电子传递链;细胞色素c;细胞外膜【作者】马晨;周顺桂;庄莉;武春媛【作者单位】广东省生态环境与土壤研究所,广州,510650;中国科学院广州地球化学研究所,广州,510640;中国科学院研究生院,北京,100049;广东省生态环境与土壤研究所,广州,510650;广东省生态环境与土壤研究所,广州,510650;广东省生态环境与土壤研究所,广州,510650【正文语种】中文微生物呼吸作用是指微生物氧化有机物释放电子，并偶联呼吸链产能的过程。
根据电子受体的不同，常分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵作用［1］。
胞外呼吸是近年新发现的微生物能量代谢方式。
它是指厌氧条件下，微生物在胞内彻底氧化有机物释放电子，产生的电子经胞内呼吸链传递到胞外电子受体使其还原，并产生能量维持微生物自身生长的过程［2］。
它与传统胞内厌氧呼吸存在两点显著差异:(1)电子最终必需传递至胞外。
课题汇报
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1
目录
PART01
PART02
PART03
PART04
PART05
MFC的 基本原理
MFC反应 器构型
影响MFC 产电性能
因素
MFC电子 传递机制
结果与 讨论
2
1 微生物燃料电池基本原理
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFCs） 是一种利用微生物作为催化剂，直接将有机物的 化学能转化为电能的装置。 阳极上附生的微生物将有机质氧化，并将电子传 递给阳极，电子通过外电路传递至阴极，并最终 与氧气、质子反应生成水。
微生物燃料电池
汇报人： 201*.**.**
前言
1911年
，
Potter 教 授 利
用大肠杆菌和
酵母菌实验研
究，观察到有
电流产生。
Cohen等人利用 串联的微生物 燃料电池获得 了35V电压，从 此，微生物燃 料电池引起了 广泛关注。
2004 年 ， 美 国 宾夕法尼亚大 学Logan首次将 微生物燃料电 池 （ MFCS ） 应 用于废水处理。
③许多问题尚待解决，如 降低成本的同时增加功率 输出，如何处理去污与产 能的关系。
④在规模化生产中，微生 物面临的主要问题是高昂 的启动与运行成本及如何 维持较大的功率输出。
15
Thanks
PIONEER EXCELLENCE
机理：多种微生物都可以产
生纳米导线，这些生长在微生 物燃料电池阳极的细菌利用纤 毛“抓”在电极表面，将有机 物氧化释放出来的电子直接传 递时利用废水中的有机物 作为细菌的代谢底物释放 出电子, 从而产生电流。 ②若能大规模地回收此项 电能, 将可弥补水处理费 用高的问题, 大幅度降低 废水处理的能耗。
微生物燃料电池
微生物燃料电池的研究现状和进展摘要：微生物燃料电池(microbial full cells，MFCs）是利用微生物作为反应主体，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。
本文从微生物燃料电池的定义、产电机理以及应用的细菌和产电方式等方面对微生物燃料电池全面阐述，并对当前的研究的热点做了总结及展望。
关键词：微生物燃料电池产电微生物微生物燃料电池(microbial full cells，MFCs）是利用微生物作为反应主体，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。
利用MFC不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解,而且同时可以将有机物在微生物代谢过程中产生的电子转化成电流,从而获得电能。
因此，微生物燃料电池是一种清洁的能源，具有极大的应用前景，目前，微生物燃料电池的研究刚起步，有待于更进一步深入研究。
1、微生物燃料电池的原理图1显示的是典型的双室微生物燃料电池的示意图，阴极和阳极室被质子交换膜分开，微生物在阳极室生长，阳极室没有氧气，缺乏电子受体，微生物通过向阳极室的电极传送电子，并向溶液中释放质子，电子通过外电路达到阴极室的电极上，质子通过质子交换膜到达阴极，阴极室里充满溶解氧，电子、质子和氧气反应形成水。
在这一过程中，形成了完整的电流回路，产生的电子通过外电路，连接负载，产生能量[1]。
图1以上是介绍了典型的双室微生物燃料电池的基本原理，在微生物燃料电池的发展过程，分为单室微生物燃料电池和双室微生物燃料电池，都是基于这样基本原理。
2、微生物燃料电池中的产电微生物种类在微生物燃料电池中，微生物是重要的一部分，已报道的产电微生物有沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）、人苍白杆菌（Ochrobactrum anthropi）、铁还原红育菌（Rhodofoferax ferrireducens）、嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophilia）、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、希万氏菌（Shewanella putrefactions）、S. Oneidensis、硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）、金属还原地杆菌（G.metallireducens）、Geopsychrobacter electrodiphilus、丙酸硫叶菌（Desulfoblbus propionicus）、丁酸梭菌（Clostridium butyricum）、拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii）和Geothrix fermentan等[2]。