文 献 综 述

1.1能源与可持续发展

应对能源的短缺和全球变暖导致的极端天气带来的巨大影响，发展低碳经济已经成为国际关注的焦点，易获得的生物质作为可替代型能源越来越受到关注。可再生能源是我国重要的能源资源，但可再生能源消费在我国能源消费总量的比重还比较低，技术进步缓慢，产业基础薄弱，不能适应可持续发展的需要[1]。农作物秸秆是自然界最丰富的可再生资源之一。我国是农业大国，年产各种农作物秸秆约7亿吨，占世界秸秆总产量的20%-30%。据报道，目前秸秆除小部分用于纺织、造纸、饲料和燃料外，大部分作为废弃物被丢弃或焚烧，不仅浪费了宝贵资源，也引起严重的环境问题[2,3]。农作物秸秆的资源化利用收到了广泛的关注，有关研究涉及秸秆还田、饲料化、工业造纸及生产淀粉、乙醇等方面[4]。其中微生物燃料电池为近几年国内外研究的重点。微生物燃料电池作为利用电化学活性微生物作为催化剂的产电装置,能将生物质中有机物的化学能直接转化为电能。相比传统的间接能源转化形式,微生物燃料电池这种从原料直接转化电能的方式在理论上将会有更高的能量效率。

1.2沉积型微生物燃料电池

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ，MFC)是一种以微生物为阳极催化剂,将化学能直接转化成电能的装置(图1)。利用有机物维持生长的微生物，把氧化有机物获得的电子通过电子传递链传递到细胞外，直接或间接地通过介质（Mediator）将电子传递到电极上产生电流，这种微生物就是产电微生物（Electricigen）[5]。微生物产电的能力差异很大，能应用在MFC系统中的微生物决定着MFC的功能与应用，是MFC系统的核心。对已在MFC中应用的产电微生物的系统总结和分析，对于MFC的研究与应用具有重要的意义。

沉积型微生物燃料电池 (Sediment Microbial Fuel Cell, SMFC) 作为微生物燃料电池

的一种，多应用于自然环境中，因其反应器结构简单（阳极埋在土壤中，阴极悬于好氧水体中组成），更接近于实际应用[6,7]，所以更具开发价值[8,9]。

图1 微生物燃料电池示意图

1.3 产电菌的生物学特征及电化学活性

目前，在自然界中分离的产电微生物主要是变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）的细菌，多为兼性厌氧菌，具有无氧呼吸和发酵等代谢方式，可氧化糖类、有机酸等获得能量以维持生长。这些产电微生物多为铁还原菌[Fe(III)-reducing bacteria,FRB]，即以Fe(III)为呼吸链的最终电子受体。

据报道的产电微生物有α-变形菌纲的沼泽红假单胞菌和人苍白杆菌；β-变性菌纲的铁还原红育菌；γ-变形菌纲的嗜水气单胞菌、铜绿假单胞菌和希万氏菌、S.oneidensis；δ-变形菌纲的硫还原地杆菌、Geopsychrobacter electrodiphilus、丙酸硫叶菌，此外，还有厚壁菌门的丁酸梭菌和拜氏梭菌，硫杆菌门的Geothrix fermentan。了解这些产电菌的生物学特性和在MFC中产电能力，将更有利于进一步深入分析MFC的作用机理。

1.3.1希万氏菌

希万氏菌属是研究较多的产电微生物，主要有S.putrefactions IR-1、S.oneidensis DSP10和S.oneidensis MR-1，他们都属于细菌，变形菌门，γ-变形菌纲，交替单胞菌目，希万氏菌科，革兰氏阴性菌，细胞杆状，铁还原菌，兼性厌氧。有氧条件下，可彻底氧化丙酮酸、乳酸为CO2，厌氧条件下，以乳酸、甲酸、丙酮酸、氨基酸、氢气为电子供体。S.oneidensis DSP10是最早发现的可在有氧条件下产电的菌种，用微型燃料电池对其好氧产电进行了研究，发现在好氧条件下能将乳酸氧化成CO2产电，产电功率密度为500 mW/m2[10]，S.oneidensis DSP10还能以葡萄糖、果糖、抗坏血酸（维生素C）为电子供体产电，且以果糖为电子供体时产电最高，功率密度达350 mW/m2[11]。

从稻田土中分离出的S.putrefactions IR-1[12]是首次报道的能直接将电子传递到电极表面的产电菌[13]，开创了无介体燃料电池的先河；S.oneidensis MR-1的全基因组序列已获得，多用于细胞及电极间电子传递机制的研究。研究发现S.oneidensis MR-1约有37个编码Cytc的基因[14]，Cytc被认为是电子跨膜传递的通道[15]。

1.3.2 铁还原菌

R.ferrireducens 属于细菌，变形菌门，β-变性菌纲，伯克氏菌目，丛毛单胞菌科，红育菌属，革兰氏阴性，兼性厌氧，铁还原菌[16]，可以彻底氧化葡萄糖、果糖、木糖、蔗糖等生成CO2。

该菌是最早报道能直接彻底氧化葡萄糖产电的微生物，其他的多数铁还原菌电子供体局限于简单有机酸。以葡萄糖为电子供体时，R.ferrireducens 的电子回收率达81%[17]。该菌构建的微生物燃料电池利用底物产电迅速，放电后补充底物可恢复到原来产电水平，可反复充放电，电池性能稳定。

1.3.3 硫还原地杆菌

G.sulfurreducens 属于细菌，变形菌门，δ-变形菌纲，除硫单胞菌目，地杆菌科，地杆菌属，革兰氏阴性菌，杆菌，专性厌氧，铁还原菌，电子供体较少，仅能以乙酸和氢气作为电子供体，Fe(III)、S、Co-EDTA、延胡索酸和苹果酸为电子受体。

G.sulfurreducens是最早报道的厌氧条件下以电极为最终电子受体完全氧化电子供体的微生物[18]。由于G.sulfurreducens的细胞可吸附于电极上，细胞间又可通过菌毛形成多层细胞组成的高度结构化生物膜[19]，参照法国研究人员Dumas的方法分别以不锈钢为唯一电子受体（乙酸为电子供体）和唯一的电子供体（延胡索酸为电子受体）制成了 G.sulfurreducens 细胞覆盖的生物膜阳极和生物膜阴极，并通过循环伏安法测得最大电流输出密度分别2.4A/m2 [20] 和24.2A/m2 [21]，证实了生物膜的电化学活性。

G.sulfurreducens的全基因组的序列信息已阐明 [22,23]，可作为模式菌研究细胞与电极之间电子传递机制和MFC结构优化。

1.3.4 假单胞菌

R.palustris 属于细菌，变形菌门，α-变形菌纲，根瘤菌目，慢生根瘤菌科，红假单胞菌属，光合细菌，革兰氏阴性，极生鞭毛，能运动，最佳生长方式是利用光合有机碳源进行光能异养，缺氧时可发酵底物，亦能以氢、硫代氢酸钠、硫化氢等为电子供体进行化能自养 [24]。

R.palustris DX-1是最近报道的光合产电菌，研究发现该菌有很高的产电能力和广泛的产电底物，由其催化的MFC最大电功率输出密度高达2720mW/m2，高于相同装置菌群催化的MFC。此外，该菌还能利用醋酸、乳酸、乙醇、戊酸、酵母提取物、延胡索酸、甘油、甲酸、丁酸、丙酸等产电，其中利用醋酸产电的功率密度最高，为450mW/m2[25]。该菌也是最早报道的α-变形菌，为产电菌的发现开辟新的领域。

1.3.5 其他产电菌种

耐寒细菌在MFC中能彻底氧化乙酸。苹果酸、延胡索酸和柠檬酸等产电[26]，由于其具有低温海底环境中生长的优势，G.electrodiphilus 更适合催化海水沉积MFC；Desulfoblbus propionicus 能够以乳酸、丙酸、丙酮酸或氢为电子供体产电，但MFC电子回收率较低，且不能利用乙酸作为电子供体[27]；专性厌氧菌Geothrix fermentan 以电极为唯一电子受体时，能够彻底氧化乙酸、琥珀酸、苹果酸、乳酸、丙酸等简单有机酸，虽然以乙酸为电子供体时的电子回收率超过90%，但电流输出较低[28]；实验分离出的嗜水气单胞菌也可产电[29]，但其具有毒性，能使人类和鱼类致病[30]，故不适宜应用于MFC。

1.4.SMFC发展前景

MFC自身潜在的优点使人们对其发展前景看好，但要作为电源应用于实际生产与生活还比较遥远。主要原因是输出功率密度远远不能满足实际要求。无论是哪一类产电菌，其电子转移方式，效率和速率是影响电池电能输出的主要因素。从提高MFC的产电能力出发，对产电微生物的研究将推动MFC的发展。

未来，MFC产电微生物的研究将主要集中在一下几个方面：筛选更多优良的产电菌种；基因改造获得高效产电菌株；产电微生物的代谢途径和电子向阳极的传递机制；寻找生物群落产电的驯化富集方法；MFC生物膜的微生物生态学研究；选择合适菌种组合。虽然生物能量的利用和研究仍然处于起步阶段，但随着微生物学和电化学技术的不断发展，微生物燃料电池将会成为未来利用各种有机（废）物发电的核心。

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