微生物燃料电池(microbial fuel cell, 简称MFC)，下面将对其原理及其应用进行详细介绍。

1、微生物燃料电池原理

微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)，MFC经典的双室结构如图1所示，由阳极室、离子交换膜和阴极室组成。其产电原理是电活性微生物通过代谢分解阳极底物而产生电子和质子，由于阴极和阳极之间的电势差，阳极电子经由外电路传递至阴极，在阴极区供给电子受体，而质子则通过溶液或膜迁移到阴极区，与电子受体(一般为O2)结合接受电子生成水，从而形成回路，产生电能。以乙酸盐为底物为例，电极反应如下：

产电微生物可分为好氧菌、兼性厌氧菌以及严格厌氧菌。在自然条件下分离的可产电细菌主要为变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)，多为兼性厌氧菌。MFC的特性、功能与应用范围很大程度上取决于产电菌的能力，这也是MFC区别于传统厌氧降解最本质所在。阳极产电菌总结见表1。其中，希瓦氏菌(Shewanella)是被最广泛研究的兼性厌氧菌，该属的很多菌都可以产电，但其产电库仑效率低，只可利用小分子有机酸为电子供体。

电子传递是实现MFC能源化的关键步骤。阳极微生物产生的电子从溶液中传递到电极表面的转移机制，公认的有纳米导线、电子中介体以及细胞直接接触3种。部分细菌(Geobacter sulfurreducens)的表面存在纳米级菌毛，起到类似于导线的作用。此外，中性红、可溶性醌、AQDS和硫堇等电子传递中间体也被广泛研究。电子传递中间体虽然可以提供有效的电子传递通道，但必须延长电子传递的途径，使得MFC总产电效果不够理想。此外，电子传递中间体易流失造成二次污染、提高成本，并对阳极产电菌产生影响。细胞直接接触是利用部分阳极菌产生的细胞色素和醌类等物质，将细胞膜内的电子直接转移至电极，常见的阳极菌包括地杆菌(Geobacteraceae)、腐败希瓦菌(Shewanella putrefaciens)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)等。

2、微生物燃料电池原理应用

1.用于污水处理

目前广泛采用的污水处理技术主要为好氧和厌氧2种。其中，好氧技术会能耗较高，相应运行费用高。厌氧处理技术运行费较低，但甲烷和氢的回收利用问题依然需要解决。基于此，MFC技术应用于污水处理受到广泛关注。最近，Dong等设计了1种90 L可堆叠的中试规模MFC，并证明其能够用于啤酒厂废水处理和同时收集电力，该系统由5个易于堆叠的MFC组成，COD去除率达到87.6%，并能以能量自给自足的方式运行超过6个月。城市的生活污水是MFC系统的常见应用对象。生活污水具有的能量潜力是污水处理所消耗能量的9～10倍，可以被认为是一种能量源。此外，已报导的不同类型MFC在不同底物下的COD降解率和产能情况如表3所示。有学者研究了串联和并联小MFC组成的管状MFC降解地下水中苯，结果发现串联组成的管状MFC具有更高的开路电压(655 mV)和较少的降解时间，但并联连接组成管状MFC的最大功率密度和最大电流密度是串联连接的3.8倍和1.5倍。总体上通过串联模式堆叠小MFC单元组成的管状MFC容易扩大规模，具有很大的实际应用潜力，适用于碳氢化合物污染地下水的原位生物修复。

2. 与其他技术耦合

MFC耦合人工湿地(CW-MFC)利用微生物代谢作用将阳极有机物厌氧氧化的同时获得电能，是1种创新的生态修复技术，可同时处理废水和生产生物电。当植物的根系位于阴极区，形成集植物-微生物-电极材料于一体的复合生物阴极，利用植物根际分泌物为阴极提供还原反应电子受体，并在根系周围的还原态基质中形成氧化态微环境。常用的湿地植物有美人蕉、莎草、菖蒲和芦竹等。CW-MFC复合系统具有处理各种污染物的潜力，例如营养盐、染料、抗生素等。但是迄今为止，CW-MFC系统生产生物电的能力仍需提高。

近年来，由MFC驱动的生物-电-芬顿(Bio-Electro-Fenton)工艺被开发出来，用以减少电芬顿工艺的能耗。Xu等利用Fe@Fe2O3/非催化碳毡作为Bio-Electro-Fenton系统阴极降解17b-雌二醇，去除率超过90%，该实验也侧面说明Bio-Electro-Fenton系统被证实具有强的氧化能力，配备非催化碳毡的MFC已经可以有效去除痕量的有机污染物。廉价高效易得的阴极材料是Bio-electro-Fenton系统发展的重点。

3.用于生物传感器

MFC是1种能够利用微生物将化学能直接转化为电能的装置，其产生的电信号可以直接反映水体污染程度并能实现在线监测，因此在生物传感器领域中发展迅速。MFC生物传感器早已经被用于检测BOD、COD、DO以及环境中的有毒物质。Zhou等研究出1种用于CO监测创新型MFC生物传感器。Jiang等通过优化MFC外部电阻获得较大电流输出，实现传感器对BOD和毒素监测的灵敏度增加，但这也导致了较高的阳极电位。对于硝酸盐监测来说，反应速率会随着电极电位升高而降低，这意味着硝酸盐与阳极竞争电子的能力有限，并且不能提供清晰的电信号。虽然MFC生物传感器已被证明具有很好的毒性检测潜力，但是目前大部分都仅限于水环境。Jiang等制造了1种新型气体扩散(GD)-生物阴极传感元件，首次证明GD-生物阴极MFC传感器对甲醛的检测限为20×10-6，也可用于监测空气污染。虽然有部分MFC生物传感器已经投入实际应用，但仍然存在一些局限性，具体包括响应时间长、灵敏度低、反应器内部微生物对需要检测的有毒物质没有抵抗性。

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