文 献 综 述

1.1能源发展和环境问题

能源是世界经济的命脉和社会发展的动力。自19世纪以来，以石油、煤和天然气为主体的化石燃料为世界提供了约90%的能源，随着世界经济和人类文明不断发展，对能源的需求日益增加，传统的化石能源的储量渐进枯竭。化石燃料的使用亦是引起全球环境污染的重要根源。从根本上解决环境、能源和国家能源安全问题，实现真正的绿色循环经济，发展可再生的清洁能源占有举足轻重的地位^[1]。进入80年代以来，随着经济的发展，具有全球性影响的环境问题日益突出。不仅发生了区域性的环境污染和大规模的生态破坏，而且出现了温室效应、臭氧层破坏、全球气候变化、酸雨、物种灭绝、土地沙漠化、森林锐减、越境污染、海洋污染、野生物种减少、热带雨林减少、土壤侵蚀等大范围的和全球性环境危机，严重威胁着全人类的生存和发展。以化石能源为主的能源消费模式已经难以满足可持续发展的要求，改善能源消费结构、减少对化石能源的依赖势在必行。在此背景下，发展环境友好、地域分布相对均衡且潜力无限的新能源成为各国共识。新能源由于种类繁多、资源禀赋和物化特征差异悬殊，开发利用新能源需要面对比化石能源复杂得多的规划、管理和技术问题。如果措施不当，不但会造成经济损失，而且可能会威胁到人类安全^[2]。

1.2 微生物燃料电池

1.2.1 微生物燃料电池的简介

随着全球气候变暖和化石燃料耗竭等问题的日益严峻，可替代能源和可再生能源的研究、构建多样的、更稳定的能源系统，已成为各国可持续发展和国家战略的重要组成部分^[3]。近年来，一种能直接将化学能转化为电能的发电装置，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)，以微生物代替昂贵的化学催化剂，与常规电池相比具有：(1)燃料来源广泛；(2)反应条件温和，常温常压下即可运行；(3)环境友好，无酸、碱、重金属等污染物产生；(4)能量转化过程无燃烧步骤，理论转化效率较高等众多优点。是Logan等^[4-7]同步微生物产电和污水生物处理的研究使此技术具有了资源化与废弃物处置双重功效，使得MFC再次引起了各国研究者的高度关注。

1.2.2 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池(MFC)是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，因其独特的能源环境效应而受到了科研人员的广泛关注，原理及应用如图1所示。 目前，微生物燃料电池的研究已经历了近十年的快速发展时期，每年研究报道呈指数型增长，在提高MFC的功率输出、降低内阻、优化MFC结构及降低成本等方面进行了大量的研究，功率密度增长了几个数量级^[8]，研究成果为其将来的工业化应用提供了强有力的支撑，并且随着研究的深入，拓展出了微生物电解电池（MEC）、微生物脱盐电池（MDC）、微生物传感器、合成生物制品等新型发展方向，从而在产电的同时，实现污水处理、脱氮脱硝、制取燃料、合成化学品等，这使其具有了独特的技术及功能上的优势，显现出了广阔的应用前景。

图1微生物燃料电池及其应用原理图

1.3 微生物燃料电池的产电过程

MFC的基本结构与其他类型燃料电池类似，由阳极室和阴极室组成，其基本产电原理^[4,9]由5步骤组成:(1)底物于阳极室在微生物作用下被氧化，产生电子、质子及代谢产物。（2）产生的电子通过载体或微生物表而直接传送到阳极电极，使电极还原，随着微生物性质的不同，载体可能是外源的染料分子、与呼吸链有关的NADH和色素分子，也可能是微生物代谢产生的还原性物质，如S^2-等^[10] 。（3）电子经由外电路到达阴极。（4）产生的质子从阳极室扩散至阴极室，到达阴极表而。（5）在阴极室中的氧化态物质即电子受体(如氧气等)与阳极传递来的质子和电子于阴极表而发生还原反应，氧化态物质被还原.由此，电子不断地产生、传递、流动形成电流，完成产电过程。