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用于污水处理的微生物燃料电池研究最新进展

目前，广泛采用的污水处理技术主要是好氧生物处理和厌氧生物处理两种方法。前者要消耗大量能量，运行费用高。后者运行费较低，但甲烷的回收利用问题没有得到很好的解决。有机废水中含有大量易生物降解物质，如果能够利用这些物质直接回收能源则将克服传统污水生物处理的固有缺点，并从根本上缓解当今人类面临的水污染与能源短缺问题。

微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是近年迅速发展起来的一种融合了污水处理和生物产电的新技术，它能够在处理污水的同时收获电能，因此受到广泛的关注。MFC的研究始于20世纪80年代。20世纪90年代起，利用微生物发电的技术出现了较大突破，MFC在环境领域的研究越加深入。1991年开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的范例[1-2]。然而，直到最近几年用MFC处理生活污水得到的电池功率才有所增强。特别是Logan等研发的以市政及工业污水为底物的新型MFC，可以在对污水进行生物处理的同时获得电能，不仅降低污水处理厂的运行费用，而且有望实现废物资源化。目前，我国仅有极少数单位在微生物燃料电池方面进行了初步探索，利用微生物将废水中有机物的化学能转化为电能，既净化了污水又获得了能量，这无疑是污水处理理念的重大革新，具有不可估量的发展潜力[2]。1MFC工作原理

MFC是燃料电池中特殊的一类。MFC利用不同的碳水化合物和废水中的各种复杂物质，通过微生物作用进行能量转换（如碳水化合物的代谢或光合作用），把呼吸作用产生的电子传输到细胞膜上，然后电子从细胞膜转移到电池的阳极，经外电路，阳极上的电子到达阴极，由此产生外电流；同时将产生的氢离子通过质子交换膜（PEM）传递到阴极室，在阴极和电子、氧反应生成水，实现电池内电荷的传递，从而完成整个生物电化学过程和能量转化过程[3]，见图1。

MFC是一种复合体系，其兼具厌氧处理和好氧处理的特点。从微生物学的角度，它可以看作是一种厌氧处理工艺，细菌必须生活在无氧的环境下才能产电；而就整体而言，阴极室是耗氧的，氧气是整个体系的最终电子受体，因此它又是好氧处理工艺，只

谢晴，杨嘉伟，王彬，冷庚，但德忠

（四川大学建筑与环境学院，四川成都610065）

摘要：微生物燃料电池技术目前取得了突破性的进展，并迅速成为废水处理的热点。本文介绍了微生物燃料电池的工作原理和特点，结合微生物燃料电池的发展,对其结构、运行条件，产电微生物及提高电池产电性能作了综述，探讨了提高微生物燃料电池性能的关键问题,并展望其应用前景。

关键词：微生物燃料电池;污水处理;功率密度;库仑效率;产电细菌

中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-3770(2010)03-0010-007

收稿日期：2009-07-02

基金项目：四川省科技厅基础研究项目（2008JY0042）

作者简介：谢晴（1983－）女，博士研究生，研究方向为环境安全联系电话：139********；E-mail：qingxiexq@https://www.sodocs.net/doc/277757948.html, 图1微生物燃料电池工作原理Fig.1The principle of MFC

第36卷第3期2010年3月

水处理技术

TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT

Vol.36No.3

Mar.,2010

电子传递途径微生物电子受体氧化还原介质I/mA P/mW·m-2

细胞膜传递电子介质传递

Aeromonas hydrophila

Geobactersulfurreducens

Rhodoferax ferrireducens

Clostridium butyricum

Proteus vulgaris

Shewanella putrefaciens

Enterococcus faecium

Pseudomonas aeruginosa

Erwinia dissolvens

Desulfovibrio desulf ricans

Esherichia coli

细胞色素

－

细胞色素

－

醌类

－

绿脓菌素/吩嗪甲酰胺

－

S2-

氰化酶

－

硫堇

－

绿脓菌素

－

铁(Ⅲ)四乙酸

－

中性

0.30

0.40

0.57

0.22

0.75

0.04

－

0.1

0.70

1.98

0.33

－

3.2×10-4

3.98

2.67

0.22

－

1.2

不过氧没有直接用于微生物的呼吸[4]。

根据产电原理的不同，MFC可分为3种类型：氢MFC，将制氢和发电有机结合在一起，利用微生物从有机物中产氢，同时通过涂有化学催化剂的电极氧化氢气发电；光能自养MFC，利用藻青菌或其他感光微生物的光合作用直接将光能转化为电能；化能异养MFC，利用厌氧或兼性微生物从有机燃料中提取电子并转移到电极上，实现电力输出，这是目前研究最多的MFC。

1.1电化学反应

从电化学反应的角度讲，MFC的工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处。若以葡萄糖作底物，其两极反应如下：

阳极：C

H12O6+6H2O6CO2+24H++24e-

阴极：6O

+24H++24e-12H2O

此反应中涉及了许多复杂的酶催化反应，包括中间体（如NADH等）的氧化还原和一些电化学过程,可以称之为“冷燃烧”[5]。在无氧环境下，则由其

它电子受体如NO

-、NO2-、Fe(III)、Mn(IV)、偶氮键N＝N等起作用,若这些电子受体都不存在,则石墨电极阴极也可作为末端电子受体接受电子将电子流引至电路中形成电流[6]。

与化学燃料电池（FC）不同，MFC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，MFC可以利用比甲醇、氢等更复杂的燃料（如污水中的有机物等）发电，且产能不受基质浓度的限制。加上微生物具有自我繁殖和更新能力，不会出现催化剂的钝化现象，因此可以长期有效的在污水处理过程中实现电力输出。1.2电子传递途径

MFC利用有机物产电的整个过程中，起决定作用的是电子在阳极区的传递。此过程中，细胞内的电子转移是利用微生物氧化代谢中的呼吸链，使电子经NADH脱氢酶、辅酶Q、泛醌、细胞色素等[7]，或者微生物膜表面的氢化酶转移出细胞。然后，在细胞外的电子还必须通过与膜关联物质，或者可溶性氧化还原介体转移到电极上。这些在电子传递中起“通道”作用的物质应在空间上易于接近，即电子供体与受体间应有接触，且它们的氧化还原电位必须低于阳极的氧化还原电位，因为电子不可能自发地转移到电位更低的物质上。

MFC中微生物传递电子给阳极有两种方法：利用外源电子中介体，如铁氰化钾、硫堇、中性红等；利用细菌自己产生的中介体将电子传递给阳极[8]；还有报道证明，细菌可产生纳米导线直接将电子传递给电极。20世纪90年代以后，研究热点开始转向无介体MFC。表1列出了目前微生物燃料电池中不同种类微生物所涉及的电子转移途经及电子受体。

2MFC电池

2.1MFC反应器构型

MFC反应器主要分为两类：一类是双室MFC，另一类是单室MFC。双室MFC又分为矩形式[10]、双瓶式[11]、平盘式[12]及升流式等[13]，，构造简单，易于改变运行条件，便于分别对阳极、质子膜（或分隔材料）、阴极进行研究，但由于阴极室和阳极室间存在一定距离，且传质阻力较大，欧姆电阻较高，产电密度相对较低。

在反应器构型方面，一个重大的突破就是在MFC设计中引入普通燃料电池中使用的直接空气阴极。在双室MFC中，一般是将阴极浸入到含饱和氧的水中，以溶解氧作为电子受体。但氧在水中的溶解性较差，而且基质传递受限，致使其在电极表面的还原较慢。以空气中的氧直接作为电子受体的空气型阴极可以克服这些缺点，进一步提高MFC

表1不同微生物的电子转移途径[9]

Tab.1The pathway of electron transfer for different bacterial species

谢晴等，用于污水处理的微生物燃料电池研究最新进展11

功率输出，这样就可以省去阴极室，而构建出单室型MFC。

单室MFC从电极形式上还可分为“二合一”型和“三合一”型两种。“二合一”型指阴极和质子膜压合在一起，阳极相对独立，故对阳极上产电微生物的影响较小；“三合一”型是将阳极、质子膜和阴极依次压合在一起，使内阻大幅度降低，但由于阳极和阴极距离过小，氧气易透过质子膜传递到阳极上，对产电微生物会有一定影响[14]。

近年来，一些研究者结合废水处理装置设计出许多新颖的改进型MFC，例如，上流式MFC（Upflow microbial fuel cell,UMFC），该系统可得到最大输出功率密度170mW·m-2，电流密度516mA·m-2[15]；平板式MFC（Flat plate microbial fuel cell,FPMFC），用该系统处理生活污水可产生的功率密度为（72±1）mW·m-2[16]；微型MFC（Miniature microbial fuel cell, mini-MFC）采用折叠的三维电极，可增大电极表面积36～610cm2,阴阳极反应室体积均为1.2L，有很高的比表面积（30～510cm2·L-1）[5]。

2.2MFC构件及材料

2.2.1阳极和阴极

阳极直接参与氧化反应，吸附在电极表面的细菌密度对产电量起主要作用，所以阳极材料和结构的改进可优化MFC的性能。虽然很多材料可以作阳极，但目前主要是以碳为基材包括碳纸、碳布、石墨片（棒）、碳毡和泡沫石墨制做。

Lovley[17]等用碳毡和泡沫石墨代替石墨棒作阳极，发现可以得到较大的输出电流，但没有进一步探讨阳极特性、微生物和MFC产电能力三者间的关系。黄霞等[14]以阳极开路电势和阳极内阻为评价指标，比较了碳纸、石墨和碳毡的产电性能，考察了孔体积、表面积、孔径分布、表面粗糙度和表面电位5种阳极特性对微生物燃料电池产电性能的影响。Chaudhuri等[18]用表面积较大的石墨毡代替石墨棒作电极，前者电流产量为后者的3倍；而采用多孔石墨泡沫所产生的电流是具有相同表面积的石墨棒电极的214倍。SchrOder 等[19]在镀铂的碳布电极上覆盖了一层聚合膜，使输出电流密度达到1500μA·cm-2。

阴极通常采用碳布或碳纸为基材，将催化剂喷涂或采用丝网印刷技术附着在阴极上，以降低阴极反应的活化能和电化学活化电阻，加快反应速度。目前，MFC的阴极主要采用碳载铂为催化剂。李贺[20]等比较了钌钛电极、二氧化锡电极和铂碳电极等阴极材料的性能，发现二氧化锡电极要比钌钛电极好，产电量提高10%，库仑效率提高30%；铂碳电极相对于钌钛电极，电压提高了2倍多，库仑效率提高了约3倍。最近，Rhoads等[21]利用生物矿化氧化锰较好地解决了氧气在固体电极表面的还原动力低及水溶性差的问题。此外,有研究发现四甲基苯卟啉钴和酞菁亚铁也能起到较好的催化效果。

2.2.2质子交换膜

质子交换膜对于维持MFC电极两端pH值的平衡、电极反应的正常进行都起到重要作用。理想的质子交换膜应具有两个特点：（1）将质子高效率传递到阴极；（2）阻止燃料（底物）或电子受体（氧气）的迁移。

曾采用的两室分隔材料有盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸等,由于这些分隔材料使电池内阻较大或氧气向阳极有渗透而逐渐不被采用。目前，研究最多的主要是杜邦的Nafion系列和Ultrex品牌质子交换膜,Nafion TM是一种全氟磺酸质子交换膜，具有较高的离子传导性（10-2S·cm-1），但因其成本太高及氧气扩散的限制而不利于工业化。因此，质子交换膜性能的革新直接关系到MFC的工作效率和产电能力。

有研究者采用自制质子膜进行MFC的研究。Grzebyk自制了PE/poly（St-co-DVB）膜，获得了较好的质子通透性，同时发现20%的胶联剂DVB 可以获得最好的膜性能[22]。也有研究采用新型共聚物制造PEM，从而加强了质子传递和减小内阻。Logan等[23]在电极和PEM膜面积相同的情况下，实验测定了PEM膜表面积变化对电池内阻的影响，结果表明若PEM膜表面积小于电极表面积，则会增加电池内阻，从而限制电池的输出功率。

2.2.3内阻与外阻

MFC内阻主要取决于电极间电解液的阻力和质子交换膜的阻力。缩短电极间距、增加离子浓度均可降低内阻。向阳极室投加NaCl，随着NaCl含量的提高，MFC的输出电流密度逐渐增加，电流密度从4.4mA·m-2上升到12mA·m-2，但投加过量时，内阻又会增大[24]。“三合一”电池在稳定运行时，电池内阻约10～30Ω,远低于现已报道的其它形式的MFC内阻，最大输出功率密度约300mW·m-2，库仑效率约50%[25]。不用质子交换膜可以大大降低MFC 的内阻,使最大功率密度为有质子交换膜的5倍，但必须注意氧气扩散的问题[26]。

水处理技术第36卷第3期12

MFC的供电能力除受电池本身结构的影响外，还与操作方式及负载大小有关。当负载电阻过小时，电流大而电压小；当负载电阻过大时,电流小而电压大。这都不能保证电池对外供电功率的最大化，故需确定合适的负载[14]。在连续改变外电阻的条件下，阳极电位的变化主要分为两个部分。外阻大时，主要限制因素为外电阻对电子传递的阻碍；外阻小时主要限制因素为电池内阻及传质阻力[27]。Ieropoulos等[28]发现电池以间歇放电方式释放的总电能高于连续放电释放的总电能，然而间歇放电方式不能维持恒定电压，因此不能直接对用电器供电。

3电池运行条件

3.1离子浓度的影响

通常以城市污水接种的MFC，在不投加营养盐及磷酸盐缓冲溶液的情况下，可以获得电能，但产电效果不理想。投加营养盐后，产电性能有较大的提高，外电路负载两端最高电压为228.2mV，功率密度为35.2mV·m-2，COD去除率39.7%,库仑效率可达60.6%[29]。李贺[20]等研究了在阳极液中氯化钠的投加量为0.3mol·L-1时电池效能最高，但微生物对盐分有一定的耐受性，故不能投加过量；同时用不同摩尔浓度的磷酸氢钠和磷酸氢二钠缓冲液考察阴极离子强度对产电的影响，发现因缓冲液的挥发会引起的负载电压升高，主要是因为缓冲溶液中离子强度的改变。3.2电子介体和电子受体

理论上讲，各种微生物都可作MFC的催化剂。目前常用的有普通变形菌[30]、枯草芽孢杆菌[30]和大肠埃希氏杆菌[31]等。尽管电池中的微生物可以将电子直接传递至电极，但传递速率都很低，因为微生物细胞膜含有肽键或类聚糖等不导电物质，电子难以穿过，因此它们大多需要电子传递中间体促进电子传递[32]。常用的介体有硫堇(TH+)、2-羟基-1、4-萘醌（HNQ）、中性红（NR）等。邹勇进等[33]比较了NR 和NMB对MFC性能的影响，结果表明使用NMB 的开路电压比使用NR的开路电压低，但达到稳定所需的时间更短。

电子受体的种类是影响阴极反应的重要因素之一。目前最常用的电子受体为O

，分为气态氧和水中

溶解氧两种。此外高价金属氧化物如Fe3+和MnO

2也可作为电子受体，并能显著提高电池性能[14]。用MnO4-作电子受体，在两室MFC系统中产生的最大功率密度为125mW·m-2，分别比利用铁氰化钾和O2高出4.5倍和11.3倍[5]。

4产电微生物

产电微生物来源较广，有海底底泥、河流底泥及厌氧颗粒污泥等，种类相当分散，大致来自于细菌域的3个分支：变形菌、酸杆菌和厚壁菌[14]。

上述需人工投加电子介体来增大功率密度的MFC被称作电子介体MFC。这些介体存在费用昂贵、需定期更换、对微生物有毒等缺点。而且，MFC 内的细菌自身电化学活性较低，通常需采用纯培养方式。

1999年，Kim发现MFC中还存在一些在无需人工投加电子介体条件下也可以实现较高功率输出的细菌菌种。这一类细菌吸附在阳极上，通过细胞膜进行电子传递。这些微生物可以不通过介体而利用其自身分泌的细胞色素、醌类等电子传递体，将电子由细胞膜内转移到电极上[34]。这类细菌有腐败希瓦菌（Shewanella putrefaciens）[35]、地杆菌（Geobacter-aceae）[36]、丁酸梭菌（Clostridium butyricum）[37]及红螺菌（Rhodoferax ferrireducens）[38]、粪产碱菌（Alcali－genes faecalis）、鹑鸡肠球菌（Enterococcus galli－narum）和铜绿假单胞菌（Pseudom onas aeruginosa）等。将由此类微生物构建的MFC称作无介体MFC。冯雅丽[39]等从深海沉积物中分离到微生物Rhodofer－ax ferrireducens、Geobacter metallireducens和Geobacter sulfereducens在分解有机底物时电能效率大于70%，电流密度30mA·m-2，电池输出功率密度达到3W·m-2（0.2V）。

混合菌是目前无介体MFC研究中最常用的接种形式，这种接种方法对于初级产电微生物的筛选十分重要。相对于纯菌而言，混合菌抗环境冲击能力强、可利用基质范围更广，对微生物燃料电池的工程实用化有较大的优势。Liu等[26]研究了无介体MFC 中混合菌群代谢污水产电的过程，获得的最大输出功率密度达154mW·m-2。已报道的无介体MFC功率密度都小于1000mW·m-2。而自介体MFC的瞬间最大功率密度曾达到4310mW·m-2。可以预见，当自介体产电菌在MFC中形成优势种群时，MFC 产电功率可以最大限度地不依赖于阳极板面积的大小，这将有利于MFC成本的降低和产电功率的放大。自介体产电菌的发现对MFC功率输出的进一步提高具有极大的现实意义。然而，目前构建自介体MFC尚有一些理论问题和技术难题需要解决。

谢晴等，用于污水处理的微生物燃料电池研究最新进展13

首先从理论上来说，电子介体是耗氧物质，将会增加出水中的COD。因此，电子自介体在反应器中的积累和保持是首要问题。其次富集具有分泌电子介体能力的微生物比较困难，需要较长的周期和特定的方法。如Rahaey等采用反复7次刮除阳极生物膜重新接种到新的MFC中的方法来富集能分泌电子介体微生物，前后历时长达63d。因此，有必要探求简便实用的富集方法。其三是对自介体产电菌生理生态特性的了解还很不够。

在绝大多数报道中，批式运行的MFC中具电化学活性的微生物大多是通过细胞膜进行电子传递，而在连续运行的MFC中则全部都是通过细胞膜进行电子传递。

4.1底物转化速率

底物转化速率是评价MFC性能的技术参数之一，其取决于细菌细胞的数量、反应器内微生物的有机负荷率、细菌动力学、传质过程以及电化学过程。姜珺秋[40]对不同的底物做了输出功率密度分析，发现当以蔗糖和乳糖为底物时最大功率可以分别达到11476mW·m-3和11400mW·m-3，高于葡萄糖（10368 mW·m-3）、乙酸钠（9248mW·m-3）、乙醇（9800 mW·m-3）和丙酸盐（7200mW·m-3）。张翼峰等[41]研究发现，开始用发酵型底物葡萄糖启动的MFC若改加非发酵型底物乙酸钠，产电菌属将得到富集，电能输出显著提高；若乙酸钠为初始底物改加葡萄糖后，MFC需要一个驯化期（约4d）才能恢复产电；而丁酸钠启动的MFC改加入同类型底物乙酸钠后，产电性能未受影响。

4.2微生物代谢途径

微生物代谢途径为特效菌的筛选、驯化提供了有力依据。Kim等[42]发现呼吸链中的多种抑制剂会抑制MFC中电流的产生。若阳极液中存在NO

-、SO42-等电子受体，厌氧微生物将进行无氧呼吸；若不存在其他电子受体，则以发酵为主要代谢途径。生物膜和悬浮细菌在产电过程中的作用是不同的，生物膜可以进一步利用糖降解生成的中间产物产电，而悬浮细菌不能利用中间产物[41]。由此提出了一个潜在的底物利用机制，首先复杂的底物在悬浮细菌的作用下分解为简单的发酵产物，随后阳极生物膜中的产电菌利用简单发酵产物产电。

4.3细菌群落多样性

研究者们尝试利用分子生物学技术，研究MFC 在运行的不同时期细菌群落结构的变化，以从细菌的角度来解释电流变化的原因。他们提取了阳极生物膜和悬浮细菌的总DNA，采用细菌16SrDNA基因通用引物扩增，将PCR产物做DGGE电泳分析，结果表明电流的不稳定波动与一些菌属的消亡和一些菌属的富集有密切关系[41]。Logan等综述了MFC中产电微生物群落的产电特性及阳极生物膜菌群组成上的广泛多样性[43]。詹亚力等[44]分析了电池中微生物的反应动力学特征，并对电池中微生物的种属进行了鉴定，确定了电池中的优势微生物为假单胞菌属。

5A/O结合工艺

利用阴极本身的好氧过程，研究者[24]在处理城市污水时用好氧活性污泥作为电池系统的阴极电子受体，使电池的输出电流密度由8.1mA·m-2左右提高到26mA·m-2，同时对COD的去除率也大大提高，达到90%。原因可能是好氧污泥中的菌胶团对废水中有机物的去除开始是吸附作用，当吸附达饱和后便开始进行下一步分解，该过程中会释放出大量的电子受体，且一些微生物还参与到电子的传递中，使电子的传递效率提高，减小了系统内阻，从而大大提高了输出的电流密度。从另一角度来讲，利用一些常见的水处理工艺使废水发电是可行的，这种MFC结合A/O工艺能增大系统的处理能力，为

工艺关键微

生物

条件

要求

产能

方式

能源利

用方式

污泥

产量

适用

范围

好氧法

厌氧法

MFC

好氧微

生物

产甲烷

菌

产电菌

中等

较高

常温常压

消耗

能量

沼气

电力

－

复杂

简单

多

少

中低浓

度废水

中高浓

度废水

皆可

表3MFC技术与传统废水生物技术对比

Tab.3Comparisons of traditional water treatments and MFC

微生物名称底物电流密度

/mA·m-2功率密度

/W·m-2

电子回

收率/%

Desulfuromonas acetox－idans

Clostridium beijerincki Shewanella putrefaciens

Geobacter Metallireducens Rhod－oferax Ferrireducens Geobac－ter sulfereducens

混菌

活性污泥

混菌

醋酸

葡萄糖

乳酸盐,丙酮

酸盐,甲酸

安息香酸盐

葡萄糖

醋酸盐

葡萄糖

废水

醋酸

0.32

3600

305

0.04

表2直接微生物燃料电池的研究现状[32] Tab.2Examples of direct microbial fuel cells 水处理技术第36卷第3期

MFC在污水处理的研究提供了新的思路（表3）。

6问题和展望

6.1问题

目前，各种有关MFC的研究主要集中在影响运行的因素上。从反应器方面，阳极区主要围绕富集产电菌、进一步强化其产电能力以及增加溶液中质子的传递速率；阴极区主要侧重增强质子的传导速率以及电极表面气液两相的反应速率问题。具体包括：（1）寻找更高电化学活性的微生物，发现高效的产电微生物或是控制产电的基因成了研究的重点[2]；（2）微生物的代谢途径。明确系统内不同产电菌不同的代谢途径，是提高微生物活性及生物量的关键；（3）电荷和离子在电解液中的传递。目前的研究表明，扩散过程不足以使电流和电池电压达到可接受的水平。（4）膜的选择性和氧气渗透性[45]；（5）两极构造与材质。阳极应选择吸附性能好、导电性好的材料。阴极应选择吸氧电位高且易于扑捉质子的材料。

另有报道，当MFC运行一段时间后，其阳极室的微生物群落与接种时有明显不同，MFC阳极室的特殊环境导致了具电化学活性微生物的富集。而随运行进程和输出功率的提高，微生物群落不断演化。据推测这是由于随运行进程MFC的电流不断增加，阳极电势下降，使得适应更低氧化还原电位的微生物在群落中占优。MFC外电路电阻对MFC阳极室的微生态也会产生影响，但不同外阻对MFC 阳极室微生态的影响尚未探明。

6.2展望

MFC在环境领域的应用前景非常诱人，因为只要是富含有机物的污水都可以使用这种技术，反应条件温和，电池维护成本低，安全性强，清洁高效，无污染，可实现零排放，微生物燃料电池的唯一产物是水。

现在世界上一些发达国家的实验室正在加紧新型微生物燃料电池的研究，我国一些科研院所也在微生物燃料电池研究方面取得了初步成果。但有关MFC的研究目前仍处于前期探索和基础研究积累阶段,所获得的认识和信息还相当有限。如何提高微生物燃料电池的产电效率，使其真正应用于工业化，成为一种可代替的清洁能源，还需要生物学、电化学和环境工程学专家的携手努力。

参考文献：

[1]Habermann W,Pommer E H.Biological fuel cells with sulphide

storage capacity[J].APPl Environ Microbiol,1991,35:128-133. [2]刘道广,陈银广.同步污水处理/发电技术-微生物燃料电池

的研究进展[J].水处理技术,2007,33(4):1-5.

[3]Chaudhuri S K,Lovley D R.Electricity generation by direct oxi-

dation of glucose in mediatorless microbial fuel cells[J].Nat Biotechnol.,2003,21:1229-1232.

[4]Rabaey K,Ossieur W,Verhaege M,et al.Continuous microbial

fule cells convert carbohydrates to electricity[J].Water Science &Technology,2005,52:515-523.

[5]李登兰.以Shewanella decolorationis S12构建的单室微生物燃

料电池产电特性研究[D].广州:广东工业大学,2008.

[6]Mekinlay J B,Zeikus J G.Extracellular iron reduction is mediated

in part by neutral red and hydrogenase in Eseherichia coli[J].AP-Pl Environ Microbiol.,2004,70:4367-4374.

[7]Cheng S,Liu H,Logan B E.Increased performance of sin-

gle-chamber microbial fuel cells using an improved cathode struc-ture[J].Electrochemistry Communications,2006,8(3):489-494.

[8]Rosenbaum M,Zhao F,Quaas M,et al.Evaluation of catalytic

properties of tungsten carbide for the anode of microbial fuel cells [J].Applied Catalysis B:Environmental,2007,74(3):261-269. [9]Shin S H,Choi Y,Na S H,et al.Development of bipolar plate

stack type microbial fuel cells[J].Bull Korean Chem Soc.,2006, 27(2):281-285.

[10]Rabaey K,Boon N,Siciliano S D,et al.Biofuel cells select for mi-

crobial consortia that self-mediate electron transfer[J].Appl Env-iron Microbiol.,2004,70(9):5373-5382.

[11]Liu H,Grot S,Logan B E.Electrochemically assisted microbial

production of hydrogen from acetate[J].Environ Sci Technol., 2005,39(11):4317-4320.

[12]Min B,Logan B E.Continuous electricity generation from domes-

tic wastewater and organic substrates in a flat plate microbial fuel cell[J].Environ Sci Technol.,2004,38(21):5809-5814.

[13]He Z,Minteer S D,AngenentL T.Electricity generation from arti-

ficialwastewater using an upflow microbial fuel cell[J].Environ Sci Technol.,2005,39(14):5262-5267.

[14]黄霞,梁鹏,曹效鑫,等.无介体微生物燃料电池的研究进展[J].

中国给水排水,2007,23(4):1-6.

[15]Bookin M,Bruce E L.Continuous electricity generation from do-

mestic wastewater and organic substrates in a flat plate microbial fuel cell.Environ Sci Technol.,2004,38:5809-5814.

[16]Liu H,Cheng S,Logan B E.Power generation in fed-batch micro-

bial fuel cells as a function of ionic strength,temperature,and reac-tor configuration[J].Environ Sci Technol.,2005,39(14):5488-5493.

[17]Lovley D R,Phillips E J P.Novel mode of microbial energy

metabolism:organic carbon oxidation coup led to dissimilatory reduction of iron or manganese[J].Appl Environ Microbiol., 1988,54:1472-1480.

[18]Chaudhuri S K,Lovley D R.Electricity generation by direct oxi-

dation of glucose in mediatorless microbial fuel cells[J].Nature Biotechnol.,2003,21(10):1229-1232.

[19]SchrEder U,Nieβen J,Scholz F.A generation of microbial fuel

＾

谢晴等，用于污水处理的微生物燃料电池研究最新进展15

cells with current outputs boosted by more than one order of mag-nitude[J].Angew Chem Int Ed.,2003,42:2880-2883.

[20]李贺.无媒介双室微生物燃料电池运行影响因素的研究[D].哈

尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[21]Rhoads A,Beyenal H,Lewandowski Z.Microbial fuel cell using

anaerobic respiration as an anodic reaction and biomineralized manganese as a cathodic reactant[J].Environ Sci Technol.,2005, 39(12):4666-4671

[22]Grzebyk M,Pozniak G.Microbial fuel cells(MFCs)with inter-

polymer cation exchange membranes[J].Sep Purif Technol.,2005, 41(3):321-328.

[23]Logan B E,Murano C,Scott K.et al.Electricity generation from

L-cysteine in a microbial fuel cell[J].Water Research,2005,39(5): 942-952.

[24]李毅.微生物燃料电池在废水处理中的应用研究[D].北京:北

京化工大学,2008.

[25]曹效鑫,梁鹏,黄霞.“三合一”微生物燃料电池的产电特性研

究[J].环境科学学报,2006,26(8):1252-1257.

[26]Liu H,Logan B E.Electricity generation using an air-cathode sin-

gle chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane[J].Environ Sci Technol.,2004,38

(14):4040-4046.

[27]Menicucci J,Beyenal H,Marsili E,et al.Procedure for determin-

ing maximum sustainable power generated by microbial fuel cells [J].Environ Sci Technol.,2006,40(3):1062-1068.

[28]Ieropoulos I,Greenman J,Melhuish C,et al.Energy accumulation

and imp roved performance in microbial fuel cells[J].J Power Sources,2005,145(2):253-526.

[29]崔龙涛,左剑恶,范明志.处理城市污水同时生产电能的微生物

燃料电池[J].中国沼气,2006,24(4):3-6.

[30]Tayhas G,Palmore R,Whitesides M.Microbial and enzymatic

biofuel cells[M]//Himmel M E,Baker J O,Overend R P.Enzy-matic conversion of biomass for fuels production.Washington D C:American Chemical Society,1994:271-290.

[31]Zhbuwei D,Haoran L,Tingyue Gb,A state of the art review on

microbial fuel cells:a promisingb technologby for wastewater treatment and bioenergbby[J].Biotechnologby Advances,2007,25

(5):464-482.[32]连静,祝学远,李浩然,等.直接微生物燃料电池的研究现状及

应用前景[J].科学技术与工程,2005,5(22):1747-1752.

[33]邹勇进,孙立贤,徐芬,等.以新亚甲基蓝为电子媒介体的大肠

杆菌微生物燃料电池的研究[J].高等学校化学学报,2007,28

(3):510-513.

[34]Bond D R.,Holmes D E,Tender L M,et al.Electrode-reducing

microorganisms that harvest energy from marine sediments[J].

Science,2002,295:483-485.

[35]Kim H J,Park H S,Hyun M S,et al.A mediator less microbial

fuel cell using a metal reducing bacterium,Shewanella putrefa-cians[J].Enzyme Microbiol Technol.,2002,30:145-152.

[36]Bond D R,Lovley D R.Electricity production by Geobacter sul－

furreducens attached to electrodes[J].Appl Environ Microbiol., 2003,69(3):1548-1555.

[37]Park H S,Kim B H,Kim H S,et al.A novel electrochemically ac-

tive and Fe(Ⅲ)-reducing bacteriumphylogenetically related to Clostridium butyricum isolated from a microbial fuel cell[J].

Anaerobe,2001,7:297-306.

[38]Reimers C E,TenderL M,Fertig S,et al.Harvesting energy from

the marine sediment-water interface[J].Environ Sci Technol.,

2001,35(1):192-195.

[39]冯雅丽,联静,杜竹玮,等.无介体微生物燃料电池研究进展[J].

有色金属,2005,5(2):47-50

[40]姜珺秋.废水同步生物处理与微生物燃料电池发电的可行性

研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[41]张翼峰.不同底物的微生物燃料电池阳极菌群及其产电特性

分析[D].大连:大连理工大学,2008.

[42]Kim J R,Min B,Logan B E.Evaluation of p rocedures to accli-

mate a microbial fuel cell for electricity p roduction[J].Appl.Mi-crobiol Biotechnol.,2005,68(1):23-30.

[43]Logan B E.Simutaneous wastewater treatment and biological elec-

tricity generation[J].Water Sci.Technol,2005,52:31-37.

[44]詹亚力,王琴,王靖,等.微生物燃料电池的基础研究[J].现代化

工,2008,28(6):40-44.

[45]Kim H J,Park H S,Hyun M S,et al.A microbial fuel cell with im-

proved reaction as a low biochemical oxygen demand sensor[J].

Biotech Lett.,2003,25:1357-1361.

RECENT PROGRESS OF MICROBIAL FUEL CELLS FOR WASTEWATER TREATMENT

Xie Qing,Yang Jiawei,Wang Bin,Len Geng,Dan Dezhong

(College of Architecture and Environment,Sichuan University,Chengdu610065,China)

Abstract：Microbial fuel cell technology has been becoming an attractive field with breakthrough results.The principle and characteristics of microbial fuel cell were briefly introduced with the overall review on the research progress in structure of the reactor,running conditions and electro-microorgan-ism.Furthermore,the key issues of affecting the performance of microbial fuel cell and its development prospect were presented.

Keywords:microbial fuel cell（MFC）;wastewater treatment;power density;columbic efficiency；electro-microorganism

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水处理技术第36卷第3期能源有限节约无限

用于污水处理的微生物燃料电池研究最新进展

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