微生物燃料电池的基础研究

微生物燃料电池的基础研究一、本文概述微生物燃料电池（MicrobialFuelCells，MFCs）是一种新型的能源转换技术，它利用微生物的代谢活动将有机物质直接转化为电能。自20世纪初MFCs概念被提出以来，这种技术已经引起了全球科研人员的广泛关注。随着环保理念的深入人心和可再生能源需求的日益迫切，MFCs在污水处理、生物能源生产和环境监测等领域的应用前景日益广阔。本文旨在深入探讨微生物燃料电池的基础研究，包括其工作原理、关键组件、性能影响因素以及最新研究进展等方面，以期为MFCs技术的进一步发展和应用提供理论支撑和实践指导。本文将简要介绍MFCs的发展历程和现状，阐述其作为一种可持续能源技术的优势和挑战。接着，重点分析MFCs的工作原理，包括微生物在阳极的氧化作用、电子传递机制以及阴极的还原反应等。随后，探讨MFCs的关键组件，如电极材料、电解质和隔膜等，分析它们对MFCs性能的影响及优化策略。还将讨论MFCs性能的主要影响因素，如底物类型、温度、pH值和接种物等，并分析这些因素如何影响MFCs的产电性能和稳定性。在总结前人研究的基础上，本文将重点关注MFCs的最新研究进展，包括新型电极材料的开发、电极结构设计的优化、微生物群落调控等方面。对MFCs的未来发展方向和应用前景进行展望，以期为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考和启示。二、MFC的基本原理微生物燃料电池（MicrobialFuelCell,MFC）是一种将微生物的代谢活动与电化学过程相结合的装置。其基本原理在于，微生物通过消耗有机物产生电子和质子，这些电子通过电极传递至外部电路形成电流，而质子则通过电解质传递至对电极，最终完成电子和质子的循环。MFC的核心组成部分包括阳极、阴极、电解质和连接两者的外电路。在阳极室，微生物附着在阳极表面，通过呼吸作用将有机物氧化并释放电子。这些电子通过阳极传递至外电路，同时产生质子。质子通过电解质传递至阴极室。在阴极室，氧气或其他电子受体接受来自外电路的电子，并与质子结合生成水或其他产物。MFC的性能受多种因素影响，包括微生物的种类和活性、电极材料、电解质性质以及操作条件等。为了提高MFC的性能，研究者们不断探索新型电极材料、优化微生物群落结构、调整操作参数等。MFC的应用领域也在不断扩展，包括废水处理、生物能源生产、环境监测等。MFC的基本原理是利用微生物的代谢活动产生电能，这一过程涉及电子和质子的传递与循环。通过深入研究MFC的基本原理和应用潜力，有望为环境保护和可持续发展提供新的解决方案。三、MFC的类型与设计微生物燃料电池（MFC）是一种将微生物的代谢活动与电化学过程相结合的装置，能够直接从有机废弃物或活性污泥中产生电能。MFC的类型和设计取决于其用途、操作条件、电子受体和电子供体的选择等多种因素。MFC的类型按照其电解质的不同可以分为单室MFC和双室MFC。单室MFC中，阳极和阴极位于同一电解质中，这简化了MFC的构造并提高了能量转换效率。这种设计可能导致阴极受到阳极产生的副产物的抑制。双室MFC则将阳极和阴极分隔在两个不同的电解质室中，避免了这种副产物的影响，但增加了MFC的复杂性和成本。MFC的设计也需要考虑电极材料的选择。常见的电极材料包括碳布、石墨、金属氧化物等。这些材料需要具有良好的电子导电性、生物相容性和稳定性。电极的表面结构和性质也会影响微生物的附着和生长，从而影响MFC的性能。除了电极材料外，MFC的设计还需要考虑电解质的选择和操作条件。电解质需要具有良好的离子导电性，以支持MFC中的电化学反应。操作条件如温度、pH值、搅拌速度等也会影响MFC的性能。MFC的类型和设计需要综合考虑多种因素，以实现最佳的能量转换效率和稳定性。随着对MFC研究的深入，我们有望开发出更高效、更环保的MFC技术，为未来的可持续发展做出贡献。四、MFC的性能评价与优化微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物作为催化剂，将有机物质直接转化为电能的装置。为了提升MFC的效率和稳定性，对MFC的性能进行评价和优化至关重要。本章节将详细讨论MFC的性能评价方法和优化策略。电压和电流输出：这是MFC最基本的性能参数，反映了MFC将化学能转化为电能的能力。理想的MFC应具有稳定且高效的电压和电流输出。功率密度：功率密度是MFC在单位体积或单位面积内产生的功率，是评价MFC性能的重要指标。库伦效率：库伦效率反映了MFC中电子从底物传递到阳极的效率，是评价MFC电子传递效率的关键参数。内阻：内阻反映了MFC内部的电子传递阻力，低内阻有助于提高MFC的性能。电极材料的优化：电极是MFC中电子传递的关键部分，因此优化电极材料是提高MFC性能的重要手段。例如，使用具有高导电性和大比表面积的电极材料可以提高MFC的电流输出和功率密度。微生物群落的优化：MFC中的微生物群落直接影响电子传递和底物的降解。通过调控MFC中的微生物群落，可以提高MFC的库伦效率和稳定性。操作条件的优化：温度、pH值、底物浓度等操作条件对MFC的性能有显著影响。通过优化这些操作条件，可以进一步提高MFC的性能。反应器的设计优化：反应器的设计影响MFC中的传质和传热过程，进而影响MFC的性能。通过优化反应器的设计，如改进电极结构、提高传质效率等，可以进一步提升MFC的性能。通过对MFC的性能进行综合评价，并采用适当的优化策略，可以有效提高MFC的效率和稳定性，为MFC的实际应用提供有力支持。未来，随着MFC技术的不断发展，我们将继续探索新的优化方法，推动MFC在能源和环境领域的应用。五、MFC在实际应用中的挑战与前景微生物燃料电池（MFC）作为一种新兴的能源转换技术，具有显著的环境友好性和能源再生性，为未来的可持续发展提供了新的路径。尽管MFC的基础研究取得了显著的进展，但在实际应用中仍面临着许多挑战。在实际应用中，MFC的规模化和能效提升是主要的技术挑战。目前的MFC大多还处于实验室或小规模试验阶段，如何将其规模化以满足实际应用需求，同时保持或提升能源转换效率，是MFC走向实际应用的关键。MFC的运行稳定性也是一大挑战。在实际应用中，MFC可能会面临各种环境变化，如温度、pH值、氧气供应等，这些都会对MFC的运行稳定性和能源转换效率产生影响。MFC的经济可行性也是实际应用中需要考虑的重要因素。虽然MFC具有环保和可再生的优点，但如果其建设和运行成本过高，那么在实际应用中可能会受到限制。如何降低MFC的成本，提高其经济可行性，也是MFC研究的重要方向。尽管面临这些挑战，但MFC的前景仍然光明。随着科技的不断进步和研究的深入，MFC的能源转换效率和运行稳定性有望得到进一步提升。通过技术创新和工程化应用，MFC的规模和成本问题也有望得到解决。在未来，MFC在污水处理、偏远地区能源供应、海洋能源开发等领域具有广阔的应用前景。特别是在污水处理领域，MFC不仅可以实现能源的回收和利用，还可以同时实现污水的处理和环境的改善，具有显著的环境和经济效益。MFC的研究和应用具有重大的现实意义和深远的社会影响。六、MFC的未来发展趋势微生物燃料电池（MFC）作为一种新型的能源转换技术，近年来受到了广泛的关注和研究。随着科学技术的不断进步，MFC在未来有着广阔的发展前景和多样化的应用趋势。MFC的效率提升将是未来研究的重要方向。当前，MFC的能源转换效率仍然较低，制约了其在实际应用中的推广。通过优化电极材料、改进电池结构、提高微生物活性等手段，提升MFC的能源转换效率，将是未来研究的关键。MFC的规模化应用将是未来的重要趋势。目前，MFC的研究主要集中在实验室阶段，对于其在大规模应用中的性能表现和优化策略尚缺乏深入的研究。通过构建更大规模的MFC系统，探索其在实际应用中的潜力和问题，将是未来MFC研究的重要方向。再次，MFC的多元化应用也将是未来的发展趋势。除了作为能源转换设备外，MFC还可以应用于废水处理、生物传感器、环境监测等领域。随着对MFC功能的深入理解和技术的不断发展，其在这些领域的应用也将不断拓展和优化。MFC的环境友好性将是其未来发展的重要优势。作为一种利用微生物进行能源转换的技术，MFC具有无污染、低能耗等优点，符合可持续发展的要求。在未来，随着环保意识的日益增强和能源需求的不断增长，MFC的环保优势将更加凸显，其在能源和环境领域的应用也将更加广泛。MFC在未来具有广阔的发展前景和多样化的应用趋势。通过不断的研究和创新，MFC的能源转换效率将得到提升，规模化应用将得以实现，多元化应用将不断拓展，环境友好性将更加凸显。这些趋势将为MFC在能源和环境领域的实际应用提供有力支撑，推动其走向更加广阔的未来。七、结论随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，寻找可持续和环保的能源解决方案已成为科研和工业界的重要任务。微生物燃料电池（MFCs）作为一种将有机废弃物转化为电能的绿色技术，近年来受到了广泛关注。本文对微生物燃料电池的基础研究进行了深入探讨，涵盖了MFCs的工作原理、关键组成部分、性能影响因素以及实际应用前景等方面。MFCs的工作原理依赖于微生物与电极之间的电子传递过程，这一过程中微生物将有机物氧化并释放电子，电子通过外电路传递到阳极，进而产生电能。MFCs的关键组成部分包括阳极、阴极、电解质和隔膜，这些组件的选择和设计对MFCs的性能至关重要。MFCs的性能还受到多种因素的影响，如底物类型、电极材料、操作条件等。本文综述了MFCs在性能优化、电极材料改进以及实际应用方面的研究进展。在性能优化方面，研究者通过调整操作条件、优化电极结构设计等方法提高了MFCs的产电性能。在电极材料改进方面，新型纳米材料、复合材料等的引入为MFCs的性能提升提供了新的途径。在实际应用方面，MFCs已展现出在废水处理、生物传感器、可再生能源等领域的应用潜力。MFCs技术仍面临诸多挑战，如产电效率低、成本高等问题。未来研究应关注如何提高MFCs的产电效率、降低成本，以及推动MFCs技术的规模化应用。还应加强MFCs与其他技术的集成，以拓展其在更多领域的应用。微生物燃料电池作为一种具有广阔应用前景的绿色能源技术，其基础研究对于推动其实际应用具有重要意义。未来随着科研和技术的不断进步，MFCs有望在能源和环境领域发挥更大的作用。参考资料：微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物将有机物转化为电能的装置，近年来已成为研究热点。本文将综述MFC的研究成果，探讨其优缺点、研究方法及其未来发展方向。MFC最早出现在20世纪初，但直到20世纪80年代才开始引起研究者的。自那时以来，MFC的研究取得了显著的进展。在优点方面，MFC具有较高的能量转化效率和生物相容性，同时可实现废物的资源化利用。MFC的缺点也很明显，如功率密度低、稳定性差等。目前，研究者们正在尝试通过优化电极材料、改进电池构型和优化操作条件等方法提高MFC的性能。尽管MFC的研究已取得了一定的进展，但仍存在许多问题和挑战。以下是未来MFC研究可能面临的几个方向：提高功率密度和稳定性：目前MFC的功率密度和稳定性仍有待提高，因此未来的研究将致力于改善这两方面的性能。优化微生物种群：不同种类的微生物在MFC中的表现会有所不同，未来研究将更加注重优化微生物种群，以提高MFC的电能产量。发展新技术的应用：如纳米技术、生物技术等新技术的应用，将有助于进一步提高MFC的性能和降低成本。拓展应用领域：目前MFC的应用主要集中在有机废水的处理和能源生产上，未来将尝试将其拓展到其他领域，如生物医学、环境监测等。本文总结了MFC的研究进展和未来发展方向，强调了MFC的优点和潜在应用价值。同时指出目前MFC研究中存在的问题和挑战，为未来的研究提供参考和借鉴。微生物燃料电池作为一种环保、节能的能源转化技术，具有很高的应用价值和潜力。虽然目前MFC的研究仍存在一些问题和挑战，但是随着科学技术的发展和新技术的应用，相信MFC的性能将会得到显著提升，应用领域也将不断拓展。微生物燃料电池的研究具有重要性和前沿性，值得我们进一步和探索。在不断寻求可再生、高效和环保的能源解决方案的过程中，微生物燃料电池（MFC）作为一种新兴技术，正逐渐引起人们的关注。微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能转化为电能的装置，其独特的运作机制为能源生产和环境保护开辟了新的可能性。微生物燃料电池的基本工作原理是利用微生物作为催化剂，将有机物中的化学能转化为电能。在反应过程中，微生物消耗有机物并产生电能和氢气等副产品。与传统的燃料电池不同，微生物燃料电池使用的是生物催化剂，而非贵金属催化剂，因此成本较低。同时，由于其独特的生物特性，使得微生物燃料电池在处理有机废弃物和废水方面具有显著的优势。废水处理：微生物燃料电池可以用于处理各种有机废水，如生活污水、农业废水等。通过微生物的作用，废水中的有机物被分解并转化为电能，从而实现废水的无害化处理和能源的回收。废物资源化：废弃物中的有机物质也可以作为微生物燃料电池的原料。通过利用微生物燃料电池技术，废弃物可以被转化为电能，从而实现废物的资源化利用。能源生产：微生物燃料电池可以用于生产可再生能源。由于其高效、环保的特性，微生物燃料电池在能源领域具有广阔的应用前景。尽管微生物燃料电池技术具有许多优点，但目前仍存在一些挑战和限制。例如，微生物燃料电池的能量密度较低，限制了其应用范围。如何提高微生物燃料电池的效率和稳定性也是需要解决的问题。为了克服这些挑战，科学家们正在研究新的材料、设计和操作策略。例如，使用纳米材料提高电极的导电性和表面积，优化微生物种群以提高产电效率，以及开发新的反应器设计以实现更稳定的运行。通过与现代技术的结合，如和大数据，可以进一步优化微生物燃料电池的性能和效率。微生物燃料电池技术是一种具有巨大潜力的绿色能源技术。尽管目前仍存在一些挑战和限制，但随着技术的不断进步和研究的深入，微生物燃料电池有望在未来成为一种重要的可再生能源生产方式。它不仅可以解决能源需求问题，同时也可以为环境保护和可持续发展做出贡献。微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。根据电子传递方式进行分类，微生物燃料电池可分为直接的和间接的微生物燃料电池。所谓直接的是指燃料在电极上氧化的同时，电子直接从燃料分子转移到电极，再由生物催化剂直接催化电极表面的反应，这种反应在化学中成为氧化还原反应；如果燃料是在电解液中或其它处所反应，电子通过氧化还原介体传递到电极上的电池就称为间接微生物燃料电池。根据电池中是否需要添加电子传递介体又可分为有介体和无介体微生物燃料电池。向微生物燃料电池中添加的介体主要有两种：第一类是人工合成的介体，主要是一些染料类的物质，如吩嗪、吩噻嗪、靛酚、硫堇等等。这些介体必须满足一定的条件：(2)非常容易得电子；(3)在被还原之前能快速离开微生物细胞；(8)不会被微生物代谢掉。第二类是某些微生物自身可以合成介体，如PseudomonasaeruginosastrainKRP1能够合成绿脓菌素和吩嗪-1-甲酰胺等物质，它合成的介体不光自己可以使用，其它的微生物也可以利用它产生的介体传递电子。参与传递电子的介体与微生物和阳极之间的作用形式有三种：(1)微生物将氧化还原反应产生的电子直接传递给溶解在溶液中的介体，介体再将电子传递给电极；(2)介体能进入到微生物体内，参加反应被还原，从微生物体内出来后再将电子传递给电极；(3)微生物吸附在电极表面，它将反应产生的电子传递给在细胞表面的介体，再通过介体传递给电极。与现有的其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势：它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率；不同于现有的所有生物能处理，微生物燃料电池在常温环境条件下能够有效运作；第三，微生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量；第四，微生物燃料电池不需要输入较大能量，因为若是单室微生物燃料电池仅需通风就可以被动的补充阴极气体；第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。微生物燃料电池（MFCs）提供了从可生物降解的、还原的化合物中维持能量产生的新机会。MFCs可以利用不同的碳水化合物，同时也可以利用废水中含有的各种复杂物质。关于它所涉及的能量代谢过程，以及细菌利用阳极作为电子受体的本质，目前都只有极其有限的信息；还没有建立关于其中电子传递机制的清晰理论。倘若要优化并完整的发展MFCs的产能理论，这些知识都是必须的。依据MFC工作的参数，细菌使用着不同的代谢通路。这也决定了如何选择特定的微生物及其对应的不同的性能。在此，我们将讨论细菌是如何使用阳极作为电子传递的受体，以及它们产能输出的能力。对MFC技术的评价是在与目前其它的产能途径比较下作出的。微生物燃料电池并不是新兴的东西，利用微生物作为电池中的催化剂这一概念从上个世纪70年代就已存在，并且使用微生物燃料电池处理家庭污水的设想也于1991年实现。经过提升能量输出的微生物燃料电池则是新生的，为这一事物的实际应用提供了可能的机会。MFCs将可以被生物降解的物质中可利用的能量直接转化成为电能。要达到这一目的，只需要使细菌从利用它的天然电子传递受体，例如氧或者氮，转化为利用不溶性的受体，比如MFC的阳极。这一转换可以通过使用膜联组分或者可溶性电子穿梭体来实现。然后电子经由一个电阻器流向阴极，在那里电子受体被还原。与厌氧性消化作用相比，MFC能产生电流，并且生成了以二氧化碳为主的废气。与现有的其它利用有机物产能的技术相比，MFCs具有操作上和功能上的优势。首先它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。不同于现有的所有生物能处理，MFCs在常温，甚至是低温的环境条件下都能够有效运作。第三，MFC不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量输入，因为仅需通风就可以被动的补充阴极气体。第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，MFCs具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。为了衡量细菌的发电能力，控制微生物电子和质子流的代谢途径必须要确定下来。除去底物的影响之外，电池阳极的势能也将决定细菌的代谢。增加MFC的电流会降低阳极电势，导致细菌将电子传递给更具还原性的复合物。因此阳极电势将决定细菌最终电子穿梭的氧化还原电势，同时也决定了代谢的类型。根据阳极势能的不同能够区分一些不同的代谢途径：高氧化还原氧化代谢，中氧化还原到低氧化还原的代谢，以及发酵。目前报道过的MFCs中的生物从好氧型、兼性厌氧型到严格厌氧型的都有分布。在高阳极电势的情况下，细菌在氧化代谢时能够使用呼吸链。电子及其相伴随的质子传递需要通过NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素。Kim等研究了这条通路的利用情况。他们观察到MFC中电流的产生能够被多种电子呼吸链的抑制剂所阻断。在他们所使用的MFC中，电子传递系统利用NADH脱氢酶，Fe/S（铁/硫）蛋白以及醌作为电子载体，而不使用电子传递链的2号位点或者末端氧化酶。通常观察到，在MFCs的传递过程中需要利用氧化磷酸化作用，导致其能量转化效率高达65%。常见的实例包括假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa），微肠球菌（Enterococcusfaecium）以及Rhodoferaxferrireducens。如果存在其它可替代的电子受体，如硫酸盐，会导致阳极电势降低，电子则易于沉积在这些组分上。当使用厌氧淤泥作为接种体时，可以重复性的观察到沼气的产生，提示在这种情况下细菌并未使用阳极。如果没有硫酸盐、硝酸盐或者其它电子受体的存在，如果阳极持续维持低电势则发酵就成为此时的主要代谢过程。例如，在葡萄糖的发酵过程中，涉及到的可能的反应是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它表明，从理论上说，六碳底物中最多有三分之一的电子能够用来产生电流，而其它三分之二的电子则保存在产生的发酵产物中，如乙酸和丁酸盐。总电子量的三分之一用来发电的原因在于氢化酶的性质，它通常使用这些电子产生氢气，氢化酶一般位于膜的表面以便于与膜外的可活动的电子穿梭体相接触，或者直接接触在电极上。同重复观察到的现象一致，这一代谢类型也预示着高的乙酸和丁酸盐的产生。一些已知的制造发酵产物的微生物分属于以下几类：梭菌属（Clostridium），产碱菌（Alcaligenes），肠球菌（Enterococcus），都已经从MFCs中分离出来。在独立发酵实验中，观察到在无氧条件下MFC富集培养时，有丰富的氢气产生，这一现象也进一步的支持和验证这一通路。发酵的产物，如乙酸，在低阳极电势的情况下也能够被诸如泥菌属等厌氧菌氧化，它们能够在MFC的环境中夺取乙酸中的电子。代谢途径的差异与已观测到的氧化还原电势的数据一起，为我们一窥微生物电动力学提供了一个深入的窗口。一个在外部电阻很低的情况下运转的MFC，在刚开始在生物量积累时期只产生很低的电流，因此具有高的阳极电势（即低的MFC电池电势）。这是对于兼性好氧菌和厌氧菌的选择的结果。经过培养生长，它的代谢转换率，体现为电流水平，将升高。所产生的这种适中的阳极电势水平将有利于那些适应低氧化的兼性厌氧微生物生长。然而此时，专性厌氧型微生物仍然会受到阳极仓内存在的氧化电势，同时也可能受到跨膜渗透过来的氧气影响，而处于生长受抑的状态。如果外部使用高电阻时，阳极电势将会变低，甚至只维持微弱的电流水平。在那种情况下，将只能选择适应低氧化的兼性厌氧微生物以及专性厌氧微生物，使对细菌种类的选择的可能性被局限了。电子向电极的传递需要一个物理性的传递系统以完成电池外部的电子转移。这一目的既可以通过使用可溶性的电子穿梭体，也可以通过膜结合的电子穿梭复合体。氧化性的、膜结合的电子传递被认为是通过组成呼吸链的复合体完成的。已知细菌利用这一通路的例子有Geobactermetallireducens、嗜水气单胞菌（Aeromonashydrophila）以及Rhodoferaxferrireducens。决定一个组分是否能发挥类似电子门控通道的主要要求在于，它的原子空间结构相位的易接近性（即物理上能与电子供体和受体发生相互作用）。门控的势能与阳极的高低关系则将决定实际上是否能够使用这一门控（电子不能传递给一个更还原的电极）。MFCs中鉴定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如布氏梭菌和微肠球菌。氢化酶可能直接参加了电子向电极的转移过程。最近，这一关于电子传递方法的设想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必须结合可移动的氧化穿梭体。它们展示了氢化酶在还原细菌表面的中性红的过程中扮演了某一角色。细菌可以使用可溶性的组分将电子从一个细胞（内）的化合物转移到电极的表面，同时伴随着这一化合物的氧化。在很多研究中，都向反应器中添加氧化型中间体比如中性红，劳氏紫（thionin）和甲基紫萝碱（viologen）。经验表明这些中间体的添加通常都是很关键的。细菌也能够自己制造这些氧化中间体，通过两种途径：通过制造有机的、可以被可逆的还原化合物（次级代谢物），和通过制造可以被氧化的代谢中间物（初级代谢物）。第一种途径体现在很多种类的细菌中，例如腐败谢瓦纳拉菌（Shewanellaputrefaciens）以及铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa）。近期的研究表明这些微生物的代谢中间物影响着MFCs的性能，甚至普遍干扰了胞外电子的传递过程。失活铜绿假单胞菌的MFC中的这些与代谢中间体产生相关的基因，可以将产生的电流单独降低到原来的二十分之一。由一种细菌制造的氧化型代谢中间体也能够被其他种类的细菌在向电极传递电子的过程中所利用。通过第二种途径细菌能够制造还原型的代谢中间体——但还是需要利用初级代谢中间物——使用代谢中间物如Ha或者HgS作为媒介。Schroder等利用E.coliK12产生氢气，并将浸泡在生物反应器中的由聚苯胺保护的铂催化电极处进行再氧化。通过这种方法他们获得了高达5mA/cm2（A，安培）的电流密度，这在之前是做不到。相似的，Straub和Schink发表了利用Sulfurospirillumdeleyianum将硫还原至硫化物，然后再由铁重氧化为氧化程度更高的中间物。使用微生物燃料电池产生的功率大小依赖于生物和电化学这两方面的过程。受到如下因素的影响，包括细菌细胞的总量，反应器中混合和质量传递的现象，细菌的动力学（p-max——细菌的种属特异性最大生长速率，Ks——细菌对于底物的亲和常数），生物量的有机负荷速率（每天每克生物量中的底物克数），质子转运中的质子跨膜效率，以及MFC的总电势。一般而言，测量MFCs的开放电路电势（OCP）的值从750mV~798mV。影响超极化的参数包括电极表面，电极的电化学性质，电极电势，电极动力学以及MFC中电子传递和电流的机制。与在阳极观测到的现象相似，阴极也具有显著的电势损失。为了纠正这一点，一些研究者们使用了赤血盐（hexacyanoferrate）溶液。赤血盐并不是被空气中的氧气完全重氧化的，所以应该认为它是一个电子受体更甚于作为媒介。如果要达到可持续状态，MFC阴极最好是开放性的阴极。目前大部分的MFCs研究都使用Nafion—质子转换膜（PEMs）。Nafion—膜对于（生物）污染是很敏感的，例如铵。而目前最好的结果来自于使用Ultrex阳离子交换膜。Liu等不用使用膜，而转用碳纸作为隔离物。虽然这样做显著降低了MFC的内在电阻，在有阳极电解液组分存在的情况下，这一类型的隔离物会刺激阴极电极的生长，并且对于阴极的催化剂具有毒性。而且目前尚没有可信的，关于这些碳纸-阴极系统在一段时期而不是短短几天内的稳定性方面的数据。这一参数既依赖于电极之间的电解液的电阻值，也决定于膜电阻的阻值（Nafion—具有最低的电阻）。对于最优化的运转条件，阳极和阴极需要尽可能的相互接近。虽然质子的迁移会显著的影响与电阻相关的损失，但是充分的混合将使这些损失最小化。在平均阳极表面的功率和平均MFC反应器容积单位的功率之间，存在着明显的差异。表2提供了目前为止报道过的与MFCs相关的最重要的的结果。大部分的研究结果都以电极表面的mA/m以及mW/m2两种形式表示功率输出的值，是根据传统的催化燃料电池的描述格式衍生而来的。其中后一种格式对于描述化学燃料电池而言可能已经是充分的，但是MFCs与化学燃料电池具有本质上的差异，因为它所使用的催化剂（细菌）具有特殊的条件要求，并且占据了反应器中特定的体积，因此减少了其中的自由空间和孔隙的大小。每一个研究都参照了以下参数的特定的组合：包括反应器容积、质子交换膜、电解液、有机负荷速率以及阳极表面。但仅从这一点出发要对这些数据作出横向比较很困难。从技术的角度来看，以阳极仓内容积（液体）所产生的瓦特/立方米（Watts/m3）为单位的形式，作为反应器的性能比较的一个基准还是有帮助的。这一单位使我们能够横向比较所有测试过的反应器，而且不仅仅局限于已有的研究，还可以拓展到其它已知的生物转化技术。在反应器的库仑效率和能量效率之间也存在着显著的差异。库仑效率是基于底物实际传递的电子的总量与理论上底物应该传递的电子的总量之间的比值来计算。能量效率也是电子传递的能量的提示，并结合考虑了电压和电流。如表2中所见，MFC中的电流和功率之间的关系并非总是明确的。需要强调的是在特定电势的条件下电子的传递速率，以及操作参数，譬如电阻的调整。如果综合考虑这些参数的问题的话，必须要确定是最大库仑效率（如对于废水处理）还是最大能量效率（如对于小型电池）才是最终目标。目前观测到的电极表面功率输出从mW/m2~w/m2都有分布。美国宾夕法尼亚州立大学环境工程系教授BruceLogan的研究组正在尝试开发微生物燃料电池，可以把未经处理的污水转变成干净的水，同时发电。无论对发展中国家还是发达国家，这项“一举两得”的技术都相当诱人。更诱人的是，据美国国家自然科学基金会（NSF）网站消息，该项技术未来还可能实现海水淡化，成为“一举三得”的技术。生物优化提示我们应该选择合适的细菌组合，以及促使细菌适应反应器内优化过的环境条件。虽然对细菌种子的选择将很大程度上决定细菌增殖的速率，但是它并不决定这一过程产生的最终结构。使用混合的厌氧-好氧型淤泥接种，并以葡萄糖作为营养源，可以观察到经过三个月的微生物适应和选择之后，细菌在将底物转换为电流的速率上有7倍的增长。如果提供更大的阳极表面供细菌生长的话，增长会更快。批处理系统使能够制造可溶性的氧化型中间体的微生物的积累成为了可能。持续的系统性选择能形成生物被膜的种类，它们或者能够直接的生长在电极上，或者能够通过生物被膜的基质使用可移动的穿梭分子来传递电子。通过向批次处理的阳极中加入可溶性的氧化中间体也能达到技术上的优化：MFCs中加入氧化型代谢中间体能够持续的改善电子传递。对这些代谢中间体的选择到目前为止还仅仅是出于经验性的，而且通常只有低的中间体电势，在数值约为300mV或者还原性更高的时候，才认为是值得考虑的。应该选择那些具有足够高的电势的氧化中间体，才能够使细菌对于电极而言具有足够高的流通速率，同时还需参考是以高库仑效率还是以高能量效率为主要目标。一些研究工作者们已经开发了改进型的阳极材料，是通过将化学催化剂渗透进原始材料制成的。Park和Zeikus使用锰修饰过的高岭土电极，产生了高达788mW/m2的输出功率。而增加阳极的特殊表面将导致产生更低的电流密度（因此反过来降低了活化超极化）和更多的生物薄膜表面。这种方法存在一个明显的局限，微小的孔洞很容易被被细菌迅速堵塞。被切断食物供应的细菌会死亡，因此在它溶解前反而降低了电极的活化表面。降低活化超极化和内源性电阻值将是影响功率输出的最主要因素。污物驱动的应用在于能够显著的移除废弃的底物。目前，使用传统的好氧处理时，氧化每千克碳水化合物就需要消耗1kWh的能量。例如，生活污水的处理每立方米需要消耗5kWh的能量，折算后在这一项上每人每年需要消耗的能源约为30kWh。为了解决这一问题，需要开发一些技术，特别是针对高强度的废水。在这一领域中常用的是UpflowAnaerobicSludgeBlanket反应器，它产生沼气，特别是在处理浓缩的工业废水时。UASB反应器通常以每立方米反应器每天10~20kg化学需氧量的负荷速率处理高度可降解性的废水，并且具有（带有一个燃烧引擎作为转换器）35%的总电力效率，意味着反应器功率输出为5~1kW/m3。它的效率主要决定于燃烧沼气时损失的能量。未来如果发展了比现有的能更有效的氧化沼气的化学染料电池的话，很可能能够获得更高的效率。能够转化具有积极市场价值的某种定性底物的电池，譬如葡萄糖，将以具有高能量效率作为首要目标。虽然MFCs的功率密度与诸如甲醇驱动的FCs相比是相当低的，但是对于这项技术而言，以底物安全性为代表的多功能性是它的一个重要优势。全面的看，作为一种参考，以高速率的厌氧消化手段从生物量中重获能量的资本支出约为安装每百万瓦生产量花费100万瓦。后一数值也同样适用于通过传统的燃烧途径、风力涡轮机以及化学染料电池等方法利用化石燃料产能。因此这一手段也处于竞争之地。何况目前，微生物燃料电池尚未达到这一水准的功率输出。负荷速率为每天每立方米反应器1~10kg的化学需氧量时，可以认为实际上能达到的功率输出在01~25kW/m3之间。对于好氧的处理过程，观察到的生长速率为消耗每克有机底物产生4克生物量生成，而对于厌氧发酵产生沼气的过程这一速率理论上仅为077。基于MFC过程的本质，其产量应该介于这两种代谢类型之间。观察到的以葡萄糖饲喂的MFCs的生长速率在07~22之间。由于废水处理设备中淤泥处理的花费多达每吨干物质500，这一数量的减少对于该