沉积物微生物燃料电池的应用现状与展望

第２０卷　２　０１　３年　第３期　
５月　

安全与环境　

Ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　
工程　

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　
Ｖｏ１．２０　ＮＯ．３　

Ｍａｙ　２０　１　３　

沉积物微生物燃料电池的应用现状与展望　
高玉玲　，皇　青　，晏再生　
（１．南京信息职业技术学院电子信息学院，南京２１００４６；２．中国科学院南京地理与　
湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京２１０００８）　

摘要：沉积物微生物燃料电池（ＳＭＥＣｓ）是一种典型的无膜微生物燃料电池，它借助于沉积物中具有电化学活性　
微生物的催化作用，氧化沉积物中有机物以获得电能。本文根据国内外ＳＭＦＣｓ研究发展现状，探讨了ＳＭＦＣｓ在　
为海洋或内陆水体的长期监测仪器提供低功率的电源、作为一种新型高效的沉积物原位生物修复技术以及作为毒　
性检测传感器等方面的应用现状，并讨论了其应用过程中存在的问题，最后对其今后的研究方向进行了展望。　
关键词：沉积物微生物燃料电池；产电；原位生物修复；生物传感器　
中图分类号：Ｘ３８２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１　１５５６（２０１３）０３一Ｏ０１Ｏ－０４　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｓｅｄｉｍｅｎｔ　Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　
ＧＡＯ　Ｙｕ—ｌｉｎｇ　，ＨＵＡＮＧ　Ｑｉｎｇ　，ＹＡＮ　Ｚａｉ—ｓｈｅｎｇ　
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００４６。　
Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｌａｋｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ　
ａｎｄ　Ｌｉｍｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｍｉｃｒｏｂｉａ１　ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌｓ（ＳＭＦＣｓ）ａｒｅ　ｔｙｐｉｃａ１　ｍｅｍｂｒａｎｅ—ｆｒｅｅ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｒｕｅｌ　ｃｅｌｌｓ　ａｎｄ　ｏｂｔａｉｎ　
ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｆｒｏｍ　ｏｒｇａｎｉｃ—ｒｉｃｈ　ａｑｕａｔｉｃ　ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃａｔａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ　ａｃｔｉｖｅ　ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎ—　
ｉｓｍｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ａＰ—　
ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＳＭＦＣｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｒｅｅ　ａｓｐｅｃｔｓ：ｐｒｏｖｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｎｅｒｇｙ，ｉｎ—ｓｉｔｕ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｂｉｏｒｅｍｅｄ—　
ｉａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｏｘｉｃｉｔｙ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｕｇｇｅｓｔ　ｔｈａｔ　ＳＭＦＣｓ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔｒｕ—　
ｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｃｅａｎ　ｏｒ　ｉｎｌａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｂｏｄｉｅｓ　ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ａ　ｎｅｗ　ａｎｄ　ｅｆｆｉ—　
ｃｉｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｉｎ—ｓｉｔｕ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉ　
ｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＳＭＦＣｓ
．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｒｕｅｌ　ｅｅｌｌ；ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；ｉｎ—ｓｉｔｕ　ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ：ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　

０　弓　口　
沉积物微生物燃料电池（Ｓｅｄｉｍｅｎｔ　Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　
Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ，ＳＭＦＣｓ），是一种典型的无膜微生物燃料　
电池（ＭＦＣｓ），将ＭＦＣｓ技术运用于有机质丰富的　
沉积物中可以获得电能。其作用机理为：将阳极材　
料放置于厌氧的沉积物中，阴极材料位于上层好氧　
的水相中，阴极和阳极之间通过导线和电阻相连接，　
沉积物中有机物在阳极区附近被沉积物中土著微生　

物氧化分解，产生的电子传递到阳极，再经过外电路　
到达阴极，与阴极区中的氧气和从阳极区传递来的　
质子结合生成水，从而实现在去除沉积物中有机污　
染物的同时又回收能量的目的　。］。目前，ＳＭＦＣｓ　
被认为有两个主要的潜在应用领域：为海洋或内陆　
水体的长期监测仪器提供低功率的电源　；作为　

一
种新型、高效的沉积物原位生物修复技术　］。　
然而，作为一种新兴的多学科综合性技术，ＳＭＦＣｓ　
在研究和实际应用方面仍有待进一步完善　］。为　
此，本文就ＳＭＦＣｓ的应用现状进行了概述，并对其　

收稿日期：２０１２　０８—２５　修回日期：２０１２－０９—１０　
基金项目：国家自然科学基金项目（５１１０９２０３）；江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２０１２８９４）；南京信息职业技术学院科研基金项目（ＹＫＪ１０—００５）　
作者简介：高玉玲（１９７８～），女，硕士，讲师，主要从事环境信息技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｌｉｎｇ
ｇａ。２ＯＬＯ＠１２６．ｃｏｍ　
第３期　高玉玲等：沉积物微生物燃料电池的应用现状与展望　
存在的问题及其发展前景进行了总结和展望。　
１　提供低功率的电源　
目前关于ＳＭＦＣｓ为海洋或内陆水体的长期监　
测仪器提供低功率电源的研究主要集中在其产电方　
面，研究认为影响其产电性能的主要因素有：工艺结　
构¨７　］、电极材料和设计　、基质性质［１　］、电极呼　
吸微生物的特性１］　。　
为了提高ＳＭＦｃｓ的功率密度，可选择比表面　
积较高的碳材料作为阳极，常用的碳材料为石墨或　
石墨纤维。Ｋ．Ｓｃｏｔｔ等　比较了几种不同碳材料作　
阳极时的功率密度大小，结果表明泡沫碳的输出功　
率密度最大，其值为５５　ｍＷ／ｍ。。为了进一步改善　
阳极的性能，一些研究者采用不同的方法对碳材料　
进行处理，如Ｄ．Ａ．Ｌｏｗｙ等＿＿１阳通过采用不同的处　
理方法来改善ＳＭＦＣｓ的阳极性能，以增强其电化　学活性，但由于石墨电极易脆，因此在实际应用中存　在一定的局限性。ＳＭＦＣｓ的阴极材料亦大多选择　石墨材料，同时为了提高其阴极的性能，常采用催化　剂来降低活化能以及使用比表面积较高的碳材料。　此外，还可以通过选择合适的阴阳极面积比、电极间　距以及电极连接方式来提高其功率密度口　。自然　环境条件对ＳＭＦＣｓ的产电性能也有很大的影响，　如溶解氧、沉积物中有机质含量、微生物群落结构、　水体种类等口　。　目前，ＳＭＦＣｓ产电的应用主要是为远程监测仪　器提供低功率的电能。这类远程监测电子设备的运　行不需要太高的电能，也不需要频繁的维护，因此　ＳＭＦＣｓ可以被放置在河水或海水底部，为监测空气　温度、气压、相对湿度和水温的电子仪器提供电能，　监测数据再通过无线发射器传输到实验室。如　Ｌ．Ｍ．Ｔｅｎｄｅｒ等　。　第一次将ＳＭＦＣｓ用作可进行空　气温度、压力、相对湿度和水温等监测的气象浮标　（平均能耗为１８　ｍＷ）的电源；Ｆ．Ｚｈａｎｇ等　通过构　建电极垂直布置的ＳＭＦＣｓ给无线温度传感器供　电。尽管研究者们从电极本身和环境两方面采取了　很多措施来提高ＳＭＦＣｓ的功率密度，但功率密度　低的挑战依然存在，还需要不断地加以优化。　为了解决ＳＭＦＣｓ功率密度低的问题，Ａ．Ｓｈａｈ—　ｔａｒａｍ等ｌ２。。利用电容来储存ＳＭＦＣｓ产生的能量，　进而间歇性地提供高密度的电能；Ｃ．Ｄｏｎｏｖａｎ　等［５　开发了一套电源管理系统，它可以存储　ＳＭＦＣｓ产生的电能，给无线传感器供电，当ＳＭＦＣｓ　的电压达到３２０　ｍＶ时，就可以向传感器供电，直到　ＳＭＦＣｓ的电压低于５２　ｍＶ，通过这套电源管理系　统，可以实现以输出功率为１～４　ｍＷ的ＳＭＦＣｓ来　为１１　ｍｗ的无线传感器供电。　远程监测或遥测系统，包括ＳＭＦＣｓ、遥测系统　或传感器运行时间的长短对整个系统寿命具有重要　的意义。理论上阳极寿命的长短决定了ＳＭＦＣｓ的　寿命，但实际应用中ＳＭＦＣｓ的寿命会根据环境条　件发生变化。比如，牺牲阳极时的溶解速度是一个　未知的参数，需要依据长期试验进行评估。而遥测　系统和温度传感器的寿命则受电容器寿命的限制。　此外，应用ＳＭＦＣｓ还应考虑温度变化对沉积物中　微生物活性的影响，低温条件下微生物的反应相对　缓慢，应开展冰层下放置ＳＭＦＣｓ的可能性研究　。　２沉积物原位生物修复　ＳＭＦＣｓ除了可为海洋或内陆水体的长期监测　仪器提供低功率的电源外，还具有潜在的沉积物原　
位生物修复作用。如Ｓ．Ｗ．Ｈｏｎｇ等口　采用石墨作　
为电极，经过５个月的运行后发现，其平均电流密度　
为２Ｏ．４　ｍＡ／ｍ　，同时沉积物中总有机质含量下降　
了２１．９　，易氧化有机物的含量下降了３２．７　，而　
没有插入电极的沉积物其总有机质含量以及易氧化　
有机物的含量都没有发生明显的变化；Ｔ．Ｓ．Ｓｏｎｇ　
等　采用悬浮阴极代替传统的水淹电极，可明显加　
速沉积物中易氧化有机物的去除，且电流的产生和　
沉积物中有机物的去除呈线性关系，因而可利用该　
工艺在实际运行过程中产生的电流信号实施远程监　
控，以了解工艺的实时运行状况。　
ＳＭＦＣｓ不仅可以去除沉积物中易氧化有机物，　
也能提高沉积物中难降解有机物（如芳烃类化合物、　
酚类化合物）的生物降解性能ｌ１，２，２２，２３］。如Ｚ．Ｙａｎ　
等ｌ１　采用ＳＭＦＣｓ、添加无定型铁（ＦｅＯＯＨ）以及　
ＳＭＦＣｓ＋ＦｅＯＯＨ组合技术，以强化降解湖泊沉积　
物中的菲和芘，研究发现：组合运用条件下对沉积物　
中菲、芘的去除率最高，分别为９９．４７－－＋－＿０．１５　、　
９４．７９±０．６３　；而自然条件下沉积物中菲、芘的降　
解率仅为８０．２９±０．０９　、７４．５０±１．４０　；组合运　
用条件下不仅提高了沉积物中微生物的铁还原活　
性，而且改善了有机物的腐殖化程度，使得沉积物中　
有机物更加芳香化、腐殖化，可导致沉积物中残留　
菲、芘更加与其紧密结合，降低了其生物有效性。因　
此，ＳＭＦＣｓ的运用为湖泊沉积物中多环芳烃污染的　
控制与修复提供了一条新的技术途径＿＿】］。　
另外，ＳＭＦＣｓ还可与水生植物构成耦合系统，　
从而在农田土壤或湿地污染修复领域发挥作用。如　
Ｓ．Ｖ．Ｍｏｈａｎ等ｌ＿２　将ＳＭＦＣｓ与浮叶水生植物凤眼