（应用化学专业论文）微生物燃料电池的功能拓展和机理解析.pdf

f ：0 、0 等t ：， u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ) o fc h i n a u n i v e r s i t y o tc i e n c ea n de c h n o l o g yb i n a adi s s e r t a t i o nf o rd o c t o r sd e gr e e m e c h a n i s me l u c i d a t i o na n d f un c t i o ni z a t i o no fm i c r o b i a i f u e ic e l l s a h 坊o i sn a m e ：m i ns u n s p e c i a l t y ：a p p l i e dc h e m i s t r y 一一一一 - s u p e r v i s o r ：h a n - q i n gy ug u o - p i n gs h e n g f i n i s h e dt i m e ： m a y2 加，2 0 0 9 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开 囤保密( _ 妻年) 作者签名： 刭：螽垒 签字日期：垒堕2 1 笸! 垒 i 。贰霜； & 。嗣囊! 摘要 直接转 有良好 象，集 活性微 物去除 结果表 性能。 微生物 通过电泳机制加速在电极上的吸附，且正电场下微生物可以得到较高的代谢能 量；- lv 和5v 的负电场可以使m f c 具有较好的产电性能，这是由于负电场可 以增强电活性微生物膜的氧化还原能力，同时负电势也有利于厌氧细菌的生长。 较高的电场刺激延缓甚至破坏m f c 的启动，这是因为高电场强度下由于电空穴 效应使细菌死亡所致。短暂的电场刺激可以作为电活性微生物富集驯化的辅助强 化手段。 2 、构建以硫化物为基质的m f c ，通过间歇实验研究了硫化物在m f c 中的 氧化过程。通过对硫氧化产物的分析以及功能微生物菌群的鉴定，阐明了硫化物 在m f c 中的氧化途径以及微生物的催化作用。结果表明，在微生物催化下m f c 获得较高的持续电流；m f c 中由s ( i i ) 经过s ( 0 ) 向s ( + v i ) 的转化可以通过电化学 反应完成，而微生物的参与可以加速该过程；依靠单一的电化学机制，硫首先氧 化成为单质硫和多硫化物，接着进一步氧化成为硫代硫酸盐和连四硫酸盐：在反 应的初始阶段，微生物可以催化硫化物向单质硫的氧化，并使m f c 具有较高的 电流；m f c 中微生物的催化作用主要表现在催化单质硫向硫代硫酸盐和硫酸盐 的转化，而这也是m f c 具有较长持续电流的主要原因；硫酸盐的生成是微生物 催化作用的特殊标志；在m f c 的阳极检测到硫氧化细菌和硫酸盐还原细菌，这 两类细菌在还原硫的生物催化氧化方面扮演着重要角色。 对于m f c 阳极电极上和沉积物中的微生物菌群构建了1 6 sr r n a 基因克隆 i 中国科学技术大学博士论文 摘要 文库。通过分析和比较其细菌群落结构的组成情况，进一步揭示了m f c 阳极细 菌的多样性以及阳极反应的复杂性。研究结果表明，这两个位置的微生物具有相 似性，但也有很大的不同；硫氧化细菌主要存在于电极上，而大部分硫酸盐还原 细菌则在沉积物中；沉积物中的微生物多样性高于电极，表明沉积物中发生的反 应比电极上发生的反应复杂：除了硫氧化细菌和硫酸盐还原细菌这两类硫功能微 生物，m f c 阳极室也存在很多其它种类的微生物，这些微生物与硫功能微生物 相互协作，共同完成m f c 中硫的氧化以及相关的产电过程。 3 、构建了微生物电解池微生物燃料电池( m e c m f c ) 产氢耦合系统，并实现 了以乙酸和丙酸为基质的生物产氢。与传统的m e c 相比，m e c m f c 耦合系统 具有以下优势：1 ) 由于m e c 的辅助能量来源由m f c 提供，产氢所需要的能量完 全由m e c 和m f c 中的基质提供，降低了辅助能源的成本；2 ) 对m f c 而言，其 电能输出后被直接利用辅助产氢，因而节省了电能的储存装置，并减少了相应的 能量损失。对m e c 和m f c 之间的相互关系进行了研究，证实耦合系统中m e c 和m f c 两个电池的4 个电极反应相互影响，系统的产氢效率受控于效率最低的 电极反应。而高效的产氢系统要求4 个电极反应均以较高的效率进行。 通过改变负载电阻以及电助m f c 的数目实现了耦合系统产氢效率的调控。 结果表明，不同的负载电阻可以改变m e c 的输入功率从而影响其产氢效率；系 统的氢气产生速率和氢气转化率均随着负载电阻的升高而下降，这是由于高的负 载电阻分担较多的m f c 的功率输出：通过采用多个串联m f c 作为m e c 的辅助 电源可以提高氢气产生速率及m e c 中底物转化为氢气的转化率，但是系统总体 氢气转化率则随着m f c 数目的增多而下降；由于m f c 内阻的差异，并联m f c 电池组无法提高系统的产氢效率；采用串联m f c 电池组作为m e c 辅助能源， 可以有效地强化耦合体系的产氢。 4 、研究了姗c 中so n e i d e n s i sm r 1 以葡萄糖为基质的电子传递以及能量 代谢途径。首先采用高效液相色谱法( h p l c ) 和三维荧光光谱法( e e m ) 的测定，证 实m r 1 在生长过程中可以分泌核黄素类物质至细胞外；通过对野生型及细胞色 素c 类基因缺失型菌株产电能力以及分泌核黄素能力的比较，确定核黄素无法直 接进入细胞内得到电子并将其携带至胞外，而只是在附着态微生物和电极之间起 到辅助电子传递的作用：细胞膜上由c y m a 、m t r a 和m t r b 调控的酶系是电子由 摘要 m 合& o n e i d e t 岱i s 的代谢途径。 并进一步厌氧代 酸可以被进一步 前期葡萄糖快速 葡萄糖的代谢产 暂外电场；硫： 中国科学技术大学博士论文 a b s r r a c t a b s t r a c t m i c r o b i a lf u e lc e l l ( m f c ) i sa ne l e c t r o c h e m i c a lc e l lt h a td i r e c t l yc a p t u r e st h e e n e r g yc o n t a i n e di nb i o c o n v e r t i b l es u b s t r a t e s i nt h ef o r mo fe l e c t r i c i t y i th a s a t t r a c t e di n c r e a s i n gi n t e r e s t st oe m p l o ym f c st op r o d u c e “g r e e n ”e n e r g yf r o mw a s t e s i na nm f c ，t h em i c r o o r g a n i s m st h a tc o m p l e t e l yo x i d i z eo r g a n i cc o m p o u n d sw i t ha n e l e c t r o d ea st h es o l ee l e c t r o n a c c e p t o r a r es o c a l l e d e x o e l e c t r o g e n s t h e e x o e l e c t r o g e n sp l a yak e yr o l ei nt h ea n o d eo x i d a t i o nb yf a c i l i t a t i n ge l e c t r o nt r a n s f e r b e t w e e nt h ee l e c t r o nd o n o ra n dt h ee l e c t r o d e i nt h i st h e s i s ，t h ee l e c t r o nt r a n s f e r m e c h a n i s m s ，s u b s t r a t em e t a b o l i s ma n de x o e l e e t r o g e n sb e h a v i o ri nm f c sw e r e i n v e s t i g a t e d a l s o ，t h ef u n c t i o n so fm f c s w e r ef u r t h e re x t e n d e df o rt h e i ru t i l i z a t i o ni n s u l f i d er e m o v a la n db i o h y d r o g e np r o d u c t i o n i nc h a p t e r2 ，t h ei n f l u e n c eo fat r a n s i e n te x t e r n a le l e c t r i cf i e l do nt h ep e r f o r m a n c e o fa nm f ci n o c u l a t e dw i t hm i x e dc u l t u r e sw a si n v e s t i g a t e d d i f f e r e n tp o s i t i v ea n d n e g a t i v ee l e c t r i cf i e l d sw e r ea p p l i e dt oa s e to f a n o d e s d u r i n gt h es t a r t u pp e r i o d ，t h e m f c si m p o s e db yt h ee l e c t r i cf i e l d so f + lv - 1va n d - 5vo b t a i n e dh i g h e rc u r r e n t d e n s i t i e st h a nt h ec o n t r 0 1 t h em f ce x p o s e dt ot h ee l e c t r i cf i e l do f + lvh a dt h e h i 曲e s tm a x i m u mp o w e rd e n s i t yo f7 3 5m w m za f t e r9 6 - h ro p e r a t i o n o nt h eo t h e r h a n d ，t h ee l e c t r i cf i e l d so f + 5a n d + 1 0vd e l a y e da n de v c nd e s t r o y e dt h em f c s t a r t - u p t h ee l e c t r i cf i e l do f 10vi n i t i a l l yi n d u c e dah i g h e rp o w e ro u t p u t ，b u tl a t e r h a dad e t r i m e n t a le f f e c to nt h em f c p e r f o r m a n c e a ne l e c t r o c h e m i c a lq u a r t zc r y s t a l m i c r o b a l a n c et e s td e m o n s t r a t e st h a tt h e e l e c t r o p h o r e s i s w a si n v o l v e di nt h e a t t a c h m e n t d e t a c h m e n to fe x o e l e c t r o g e n so nt h ee l e c l r o d ed u d n gt h ee l e c t r i cf i e l d a p p l i c a t i o np e r i o d f u r t h e r m o r e ，t h ea p p l i c a t i o no fn e g a t i v ee l e c t r i cf i e l dw a sp r o v e n t oe n h a n c et h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo ft h ee x o e l e c t r o g e n s ，w h i c hw a s p a r t i a l l yr e s p o n s i b l e f o ri t si n f l u e n c eo nt h em f c p e r f o r m a n c e i n c h a p t e r3 ，t h es u l f i d eo x i d a t i o np r o c e s si nm f c sw a se x p l o r e dt h r o u g h i d e n t i f y i n gt h es u l f u rs p e c i e se v o l u t i o na n dm i c r o b i a lc o m m u n i t i e s t h er e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tb o t he l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n sa n dm i c r o b i a lc a t a l y s i sw e r ei n v o l v e d i v 。_ _ _ 。 中国科学技术大学博士论文 a b s t r a c t i ns u c hac o m p l e xs u l f i d eo x i d a t i o np r o c e s si nt h em f ca n o d e t h em i c r o b e - a s s i s t e d s u l f i d eo x i d a t i o ng e n e r a t e dah i g h e rp e r s i s t e n tc u r r e n td e n s i t yt h a nt h es u l f i d e o x i d a t i o nv i as i n g l ee l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n so n l y t h r e ev a l e n c es t a t e so fs ( - i i ) ，s ( o ) a n ds ( + v i ) w e r ed i s c o v e r e df r o mt h es u l f i d eo x i d a t i o n ，a n ds o ，s ，。，s 4 0 6 厶， $ 2 0 3 2 ，a n ds 0 4 2 w e r ed e t e c t e da st h ei n t e r m e d i a t e s t h es u l f u r - o x i d i z i n gb a c t e r i a a n ds u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i aw e r ef o u n di nt h em f ca n o d e b a s e do nt h es u l f u r s p e c i a t i o na n dm i c r o b i a lc o m m u n i t ya n a l y s i s ，t h es u l f i d eo x i d a t i o np a t h w a y si nt h e m f cw e r ep r o p o s e d t h eo x i d a t i o no fs u l f i d et os o s x 2 a n df u r t h e rt o $ 4 0 6 2 s 2 0 3 2 o c c u r r e ds p o n t a n e o u s l ya se l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n s ，a n de l e c t r i c i t yw a sg e n e r a t e d t h ef o r m a t i o no fs o s x 2 a n ds 2 0 3 2 w a sa c c e l e r a t e db yt h eb a c t e r i ai nt h em f c a n o d e ， a n ds 0 4 厶w a sg e n e r a t e db e c a u s eo fam i c r o b i a lc a t a l y s i s t h em i c r o b e a s s i s t e d p r o d u c t i o no f $ 2 0 3 2 a n ds 0 4 2 r e s u l t e di nap e r s i s t e n tc u r r e n tf r o mt h em f c m o l e c u l a rb i o l o g i c a l t e c h n i q u e s w e r ea p p l i e dt o a n a l y z ea n dc o m p a r et h e m i c r o b i a ld i v e r s i t yo nt h ee l e c t r o d ea n di nt h es e d i m e n to ft h ea n o d eo ft h es u l f i d e f e d m f c t h em i c r o b i a lc o m m u n i t yi nt h es e d i m e n te x h i b i t e dh i g h e rd i v e r s i t yt h a nt h a t o nt h ee l e c t r o d e t h e p o p u l a t i o n o nt h ee l e c t r o d ec o n s i s t e d m a i n l y o f a - p r o t e o b a c t e r i a ，f l - p r o t e o b a c t e r i a ，y - p r o t e o b a c t e r i aa n df i r m i c u t e s i na d d i t i o nt o f o u rp h y l aa b o v e ，j - p r o t e o b a c t e r i a ，f i r m i c u t e sa n dg e m m a t i m o n a d e t e sw e r ea l s o f o u n di nt h es e d i m e n t t h es u l f u r - o x i d i z i n gb a c t e r i aw e r ei nm u c hm o r ea b u n d a n c eo n t h ee l e c t r o d et h a ni nt h es e d i m e n t o nt h ec o n t r a r y , t h es u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i a p r e f e r a b l yg r e wi nt h es e d i m e n t s b e s i d e st h es u l f u r - r e l a t e db a c t e r i a , a c i n e b o b a c t e r s p w a sf o u n dt ob er i c h i nt h em f ca n o d e t h ee x o e l e c t r o g e n s c o n t a i n i n gs p e c i e s p s e u d o m o n a ss p ，c l o s t r i d i u ms pa n do c h r o b a c t r u ms p w e r cf o u n db o t ho nt h e e l e c t r o d ea n di nt h es e d i m e n t s t h em i c r o b i a ld i v e r s i t yi nt h em f ca n o d ef u r t h e r r e v e a l st h ec o m p l e x i t yo ft h ea n o d i cr e a c t i o n si nt h es u l f i d e - f e dm f c t h e r em i g h tb e a s y n t r o p h i ca s s o c i a t i o na m o n gt h ev a r i o u sb a c t e r i ai nt h em f ca n o d e i nc h a p t e r4 ，a nm e c - m f c - c o u p l e ds y s t e mw a sc o n s t r u c t e df o rb i o h y d r o g e n p r o d u c t i o n ，i nw h i c hh y d r o g e nw a sp r o d u c e di na nm e ca n dt h ee x t r ap o w e rw a s s u p p l i e db ya nm f c t h i sm e c - m f c - c o u p l e ds y s t e mh a sa p o t e n t i a lf o rb i o h y d r o g e n p r o d u c t i o nf r o mw a s t e s ，a n dp r o v i d e sa l le f f e c t i v ew a yf o r ns t uu t i l i z a t i o no ft h e v 中国科学技术大学博士论文 a b s t r a c t p o w e rg e n e r a t e df r o mm f c s i nt h i sc o u p l e ds y s t e m ，h y d r o g e nw a ss u c c e s s f u l l y p r o d u c e df r o ma c e t a t ea n dp r o p i o n a t ew i t h o u te x t e r n a le l e c t r i cp o w e rs u p p l y t h e p e r f o r m a n c eo ft h em e c a n dt h em f cw a si n f u e n c e db ye a c ho t h e r as t a b l es y s t e m r e q u i r e st h eh i g he f f i c i e n c i e so ff o u rh a l f - r e a c t i o n si nb o t hm e ca n dm f c ，a n dt h a t a n yr e a c t i o na tal o we f f i c i e n c yw i l lh a v ean e g a t i v ee f f e c to nt h eo v e r a l ls y s t e m p e r f o r m a n c e i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eh y d r o g e np r o d u c t i o ni ns u c ha nm e c m f c c o u p l e d s y s t e mc o u l db em a n i p u l a t e dt h r o u g ha d j u s t i n gt h ep o w e ri n p u to nt h em e c t h e p o w e ri n p u to ft h em e cw a sr e g u l a t e db ya p p l y i n gd i f f e r e n tl o a d i n g r e s i s t o r s c o n n e c t e di n t ot h ec i r c u i ti ns e r i e s a l lc i r c u i tc u r r e n t , v o l u m e t r i ch y d r o g e n p r o d u c t i o nr a t e ，h y d r o g e nr e c o v e r y , c o u l o m b i ce f f i c i e n c y , a n dh y d r o g e ny i e l d d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s ei nl o a d i n gr e s i s t a n c e t h e r e a f t e r , i no r d e rt oa d dp o w e r s u p p l yf o rh y d r o g e np r o d u c t i o ni nt h em e c ，a d d i t i o n a lo n eo rt w om f c sw e r e i n t r o d u c e di n t ot h i sc o u p l e ds y s t e m w h e nt h em f c sw e r ec o n n e c t e di ns e r i e s ，t h e h y d r o g e np r o d u c t i o n w a s s i g n i f i c a n t l y e n h a n c e d i nc o m p a r i s o n ，t h e p a r a l l e l c o n n e c t i o ns l i g h t l yr e d u c e dt h eh y d r o g e np r o d u c t i o n c o n n e c t i n gs e v e r a lm f c si n s e r i e sw a sa b l et oe f f e c t i v e l yi n c r e a s ep o w e rs u p p l yf o rh y d r o g e np r o d u c t i o n ，a n dh a d ap o t e n t i a lt ob eu s e da sas t r a t e g yt oe n h a n c eh y d r o g e np r o d u c t i o ni nt h e m e c - m f c c o u p l e ds y s t e mf r o mw a s t e s i nc h a p t e r5 ，e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt oe l u c i d a t et h ee l e c t r o nt r a n s f e r m e c h a n i s m sa n dg l u c o s em e t a b o l i s mo f s h e w a n e l l ao n e i d e n s i sm r - 1i na l lm f c t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e & o n e i d e n s i sm r 1s e c r e t e df l a v i n si n t ot h ec u l t u r e 私e l e c t r o n s h u r l e s t h ef l a v i n sw e r ea l s os e c r e t e di nt h ea b s e n c eo ft h ea n o d ee l e c t r o d e ， i m p l y i n g t h a t t h e y w e r en o td e l i b e r a t e l yp r o d u c e df o re l e c t r o nt r a n s f e r a o m c a m t r c - d e f i c i e n tm u t a n t , w h i c hh a sap o o re l e c t r i c i t y p r o d u c i n ga b i l i t y , w a s o b s e r v e d 幻s e c r e t eas i m i l a rl e v e lo ff l a v i n sa st h ew i d et y p e t h i ss u g g e s t st h a tt h e e l e c t r o nt r a n s f e rb yf l a v i n sw a sn o tt h ek e ym e c h a n i s m si nt h ee l e c t r i c i t yp r o d u c t i o n o fm r - i d u r i n gt h eg l u c o s em e t a b o l i s mo fm r 一1i na nm f c ，f o r m a t e ，a c e t a t e ， p r o p i o n a t e ，b u t y r a t e ，p y r u v a t e ，a n de t h a n o lw e r ei d e n t i f i e da st h em a i nm e t a b o l i c p r o d u c t s i nt h i sm f c ，t h eg l u c o s ew a si n i t i a l l y m e t a b o l i z e dt op y r u v a t ev i ae d v h 中国科学技术大学博士论文 a b s t r a c t 中国科学技术大学博士论文目录 目录 摘要1 a b s t r a c t i v 目录i x 第一章文献综述1 1 1 研究背景1 1 2 微生物燃料电池的产电机制2 1 2 1 微生物燃料电池的基本工作原理2 1 2 2 电活性微生物传递电子的主要机制。3 1 2 3 电活性微生物纯种的主要分类。6 1 2 4 混合微生物菌群的驯化及群落分析1 0 1 3 微生物燃料电池各组件对电池性能的影响。l l 1 3 1 阳极材料的选择1 l 1 3 2 阴极材料和氧化剂的选择1 2 1 3 3 膜材料的选择1 4 1 3 4 电池构型的主要分类及电池性能1 4 1 4 微生物电解池的产氢原理及应用17 1 4 1 微生物电解池工作原理及研究进展1 7 1 4 2 微生物电解池产氢与传统产氢方法的比较1 9 1 5 本文的研究内容、目的和意义2 0 1 5 1 研究的目的和意义2 0 1 5 2 主要研究内容2 0 第二章微生物燃料电池的快速启动及微生物的催化行为2 8 2 1 概述2 8 2 2 材料和方法2 9 2 2 1 短暂外电场刺激实验2 9 2 2 2 电池的电化学性能表征2 9 2 2 3 阳极微生物的形态及电化学活性表征3 0 2 3 结果和讨论3i 2 3 1 微生物燃料电池启动过程的循环伏安电化学分析3 l 2 3 2 微生物燃料电池在不同电场刺激下的启动过程3 2 2 3 3 外电场对微生物燃料电池的影响机制3 6 2 4 小结。4 2 第三章微生物燃料电池中硫的氧化机制及微生物的催化行为4 4 3 1 概述4 4 3 2 材料和方法4 6 3 2 1 微生物燃料电池的构建和实验设计4 6 3 2 2 硫元素的存在形式分析4 7 3 2 3 微生物群落分析4 8 3 3 结果和讨论：5 0 3 3 1 微生物燃料电池的启动5 0 3 3 3 微生物燃料电池中硫的存在形态及相互转化5 l i x 中国科学技术大学博士论文目录 3 3 4 微生物燃料电池中硫化物的氧化途径及微生物的催化行为5 7 3 3 5 生物阳极的种群组成及生态分布规律5 8 3 4 小结一6 7 第四章微生物燃料电池强化生物制氢系统的构建与优化7 l 4 1 概述7l 4 2 材料和方法一7 l 4 2 1 生物燃料电池强化制氢系统的构建及运行条件7 2 4 2 2 有机酸和氢气的测定7 3 4 2 3 系统性能的评价指标7 3 4 2 4 微生物群落分析7 5 4 3 结果和讨论。7 5 4 3 1 影响系统产氢效率的关键因素分析7 5 4 3 2 微生物燃料电池的相互作用机制8 1 4 3 3 耦合系统的产氢效率优化8 5 4 3 4 多个辅助微生物燃料电池的强化制氢研究9 2 4 4 小结9 7 第五章微生物燃料电池产电机理的微观解析9 9 5 1 概述。9 9 5 2 材料和方法10 0 5 2 1 电活性模式菌株的培养及电池的运行。1 0 0 5 2 2 电化学测量及计算1 0 0 5 2 3 核黄素的测定1 0 1 5 2 4 基质及产物的定量分析1 0 1 5 3 结果和讨论101 5 3 1so n e i d e n s i sm r 1 产电过程中电子传递媒介的变化趋势。1 0 1 5 3 2 电子由细胞内向电极传递的路径及关键步骤。10 5 5 3 3 模式菌株葡萄糖的代谢途径以及与产电的耦合1 0 8 5 4 小结l l5 i l i 论1l9 致谢l2l 博士期间完成的论文和专利1 2 2 x 第一章综述 和天然气而 的各种有机 。生物质能 。生物质能 开发利用的原料中，除了能源植物以外，生物废弃物也是一类重要来源。生物废 弃物包括农林生产加工过程中产生的生物残渣、动物的遗体、生活垃圾中的有机 物质等。我国有着十分丰富的生物废弃物资源，如何将废弃物资源充分地利用， 已成为我国可持续发展战略的一项重要内容。 电能是高品位能源，将生物质能转化为电能之后能提高生物质能的利用效 率，拓宽应用领域。生物质能转化为电能技术包括生物质直接燃烧发电技术、生 物质气化发电技术、沼气发电技术以及生物质燃料电池技术( 表1 1 ) 【l j 。以上几种 发电技术中，大都需要首先将生物质能转化成为热能，然后通过驱动发电机发电， 仅有燃料电池技术可以直接利用生物质能发电。燃料电池是一种不经过燃烧直接 以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。从理论上将，只 要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电。由于燃料电池直接将燃料的化学能转 换为电能，中间未经燃烧过程，因此不受卡诺循环限制，可以获得更高的转化效 率。而且它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减轻了对大气的污染。燃料电池发 电厂不需要锅炉、气轮发电机等庞大的成套设备，而且电池组件化，设计、制造、 组装都十分方便。 作为一类特殊的生物质燃料电池，微生物燃料电池( m f c ) 是利用自然存 在的微生物在常温常压条件下将有机无机物氧化产生电流的装置。m f c 除了具 有化学燃料电池效率高、无污染等优点外，还具有自身独特的优势。m f c 采用 微生物取代了化学燃料电池中昂贵的化学催化剂，这样在大大降低成本的同时， m f c 可以利用非常复杂的燃料如废水中碳水化合物等发电。加上微生物具有自 我繁殖和更新能力，因此可以长期有效地在污水处理过程中实现电力输出。 中国科学技术大学博士论文 第一章综述 表1 - 1 主要生物质发电技术的比较 在废水处理方面，m f c 具有传统废水生物处理技术难以比拟的技术优势。 全球范围内至今广泛采用的废水处理技术仍然是好氧生物处理和厌氧生物处理 两种。然而，好氧生物处理需要消耗大量的能量，运行费用高。厌氧工艺虽然运 行费用较低，且可以以甲烷形式获得额外的生物能，但由于甲烷的回收利用问题 没有得到很好的解决，因此一般都是将其燃烧或排空而无法实现能源的回收。 m f c 技术克服传统废水生物处理的固有缺点，在净化水质的同时产出了易于利 用的清洁能源电能，而且其污泥产量较低，不需要进行废气处理，从而可以为补 偿废水处理厂昂贵运行费用提供一种新途径。 1 2 微生物燃料电池的产电机制 1 2 1 微生物燃料电池的基本工作原理 m f c 的基本结构与化学燃料电池相似，图1 1 为典型的m f c 基本工作原理 示意图。该m f c 由阴极、阳极、质子交换膜和外电路组成。底物在阳极被微生 物利用，产生电子、质子以及c 0 2 等代谢产物，电子从微生物细胞传递至阳极 表面，接着沿外电路传递到阴极，同时质子由阳极室经质子交换膜迁移到阴极室， 在阴极电子受体0 2 与电子和质子结合，在阴极表面发生还原发应。电子不断产 生、传递形成电流，完成产电过程。 在早期m f c 研究中，常常加入外源介体以实现电子转移及提高转移速率。 当底物在微生物作用下被氧化，释放出的电子被进入微生物细胞内处于氧化态的 2