微生物燃料電池：新型產(chǎn)能生物技術(shù)

1、文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 微生物燃料電池：新型產(chǎn)能生物技術(shù)文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 微生物燃料電池（mfcs）提供了從可生物降解的、還原的化合物中維持能量產(chǎn)生的新機會。mfcs可以利用不同的碳水化合物，同時也可以利用廢水中含有的各種復(fù)雜物質(zhì)。關(guān)于它所涉及的能量代謝過程，以及細菌利用陽極作為受體的本質(zhì)，目前都只有極其有限的信息；還沒有建立關(guān)于其中電子傳遞機制的清晰理論。倘若要優(yōu)化并完整的發(fā)展mfcs的產(chǎn)能理論，這些知識都是必須的。依據(jù)mfc工作的參數(shù)，細菌使用著不同的代謝通路。這也決定了如何選擇特定的微生物及其對應(yīng)的不同的性能。在此，我們將討論細菌是如何使用陽極作為電子傳遞的受體，以及它們產(chǎn)能輸出的能力

2、。對mfc技術(shù)的評價是在與目前其它的產(chǎn)能途徑比較下作出的。 微生物燃料電池并不是新興的東西，利用微生物作為電池中的催化劑這一概念從上個世紀70年代就已存在，并且使用微生物燃料電池處理家庭污水的設(shè)想也于1991年實現(xiàn)。但是，經(jīng)過提升能量輸出的微生物燃料電池則是新生的，為這一事物的實際應(yīng)用提供了可能的機會。 mfcs將可以被生物降解的物質(zhì)中可利用的能量直接轉(zhuǎn)化成為電能。要達到這一目的，只需要使細菌從利用它的天然電子傳遞受體，例如氧或者氮，轉(zhuǎn)化為利用不溶性的受體，比如mfc的陽極。這一轉(zhuǎn)換可以通過使用膜聯(lián)組分或者可溶性電子穿梭體來實現(xiàn)。然后電子經(jīng)由一個電阻器流向陰極，在那里電子受體被還原。與厭氧性消

3、化作用相比，mfc能產(chǎn)生電流，并且生成了以二氧化碳為主的廢氣。 與現(xiàn)有的其它利用有機物產(chǎn)能的技術(shù)相比，mfcs具有操作上和功能上的優(yōu)勢。首先它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，保證了具有高的能量轉(zhuǎn)化效率。其次，不同于現(xiàn)有的所有生物能處理，mfcs在常溫，甚至是低溫的條件下都能夠有效運作。第三，mfc不需要進行廢氣處理，因為它所產(chǎn)生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量。第四，mfcs不需要能量輸入，因為僅需通風就可以被動的補充陰極氣體。第五，在缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，mfcs具有廣泛應(yīng)用的潛力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性。 微生物燃料電池中的代謝 為了衡量細菌的發(fā)

4、電能力，控制微生物電子和質(zhì)子流的代謝途徑必須要確定下來。除去底物的影響之外，電池陽極的勢能也將決定細菌的代謝。增加mfc的電流會降低陽極電勢，導(dǎo)致細菌將電子傳遞給更具還原性的復(fù)合物。因此陽極電勢將決定細菌最終電子穿梭的氧化還原電勢，同時也決定了代謝的類型。根據(jù)陽極勢能的不同能夠區(qū)分一些不同的代謝途徑：高氧化還原氧化代謝，中氧化還原到低氧化還原的代謝，以及發(fā)酵。因此，目前報道過的mfcs中的生物從好氧型、兼性厭氧型到嚴格厭氧型的都有分布。 在高陽極電勢的情況下，細菌在氧化代謝時能夠使用呼吸鏈。電子及其相伴隨的質(zhì)子傳遞需要通過nadh脫氫酶、泛醌、輔酶q或細胞色素。kim等研究了這條通路的利用情況

5、。他們觀察到mfc中電流的產(chǎn)生能夠被多種電子呼吸鏈的抑制劑所阻斷。在他們所使用的mfc中，電子傳遞系統(tǒng)利用nadh脫氫酶，fe/s（鐵/硫）蛋白以及醌作為電子載體，而不使用電子傳遞鏈的2號位點或者末端氧化酶。通常觀察到，在mfcs的傳遞過程中需要利用氧化磷酸化作用，導(dǎo)致其能量轉(zhuǎn)化效率高達65%。常見的實例包括假單胞菌（pseudomonas aeruginosa），微腸球菌（enterococcus faecium）以及rhodoferax ferrireducens。 如果存在其它可替代的電子受體，如硫酸鹽，會導(dǎo)致陽極電勢降低，電子則易于沉積在這些組分上。當使用厭氧淤泥作為接種體時，可以重復(fù)

6、性的觀察到沼氣的產(chǎn)生，提示在這種情況下細菌并未使用陽極。如果沒有硫酸鹽、硝酸鹽或者其它電子受體的存在，如果陽極持續(xù)維持低電勢則發(fā)酵就成為此時的主要代謝過程。例如，在葡萄糖的發(fā)酵過程中，涉及到的可能的反應(yīng)是：c6h12o6+2h2o=4h2+2co2+2c2h4o2 或 6h12o6=2h2+2co2+c4h8o2。它表明，從理論上說，六碳底物中最多有三分之一的電子能夠用來產(chǎn)生電流，而其它三分之二的電子則保存在產(chǎn)生的發(fā)酵產(chǎn)物中，如乙酸和丁酸鹽?？傠娮恿康娜种挥脕戆l(fā)電的原因在于氫化酶的性質(zhì)，它通常使用這些電子產(chǎn)生氫氣，氫化酶一般位于膜的表面以便于與膜外的可活動的電子穿梭體相接觸，或者直接接觸在

7、電極上。同重復(fù)觀察到的現(xiàn)象一致，這一代謝類型也預(yù)示著高的乙酸和丁酸鹽的產(chǎn)生。一些已知的制造發(fā)酵產(chǎn)物的微生物分屬于以下幾類：梭菌屬（clostridium），產(chǎn)堿菌（alcaligenes），腸球菌（enterococcus），都已經(jīng)從mfcs中分離出來。此外，在獨立發(fā)酵實驗中，觀察到在無氧條件下mfc富集培養(yǎng)時，有豐富的氫氣產(chǎn)生，這一現(xiàn)象也進一步的支持和驗證這一通路。 發(fā)酵的產(chǎn)物，如乙酸，在低陽極電勢的情況下也能夠被諸如泥菌屬等厭氧菌氧化，它們能夠在mfc的環(huán)境中奪取乙酸中的電子。 代謝途徑的差異與已觀測到的氧化還原電勢的數(shù)據(jù)一起，為我們一窺微生物電動力學(xué)提供了一個深入的窗口。一個在外部電阻很

8、低的情況下運轉(zhuǎn)的mfc，在剛開始在生物量積累時期只產(chǎn)生很低的電流，因此具有高的陽極電勢（即低的mfc電池電勢）。這是對于兼性好氧菌和厭氧菌的選擇的結(jié)果。經(jīng)過培養(yǎng)生長，它的代謝轉(zhuǎn)換率，體現(xiàn)為電流水平，將升高。所產(chǎn)生的這種適中的陽極電勢水平將有利于那些適應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物生長。然而此時，專性厭氧型微生物仍然會受到陽極倉內(nèi)存在的氧化電勢，同時也可能受到跨膜滲透過來的氧氣影響，而處于生長受抑的狀態(tài)。如果外部使用高電阻時，陽極電勢將會變低，甚至只維持微弱的電流水平。在那種情況下，將只能選擇適應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物以及專性厭氧微生物，使對細菌種類的選擇的可能性被局限了。 mfc中的陽極電子傳遞機制

9、 電子向電極的傳遞需要一個性的傳遞系統(tǒng)以完成電池外部的電子轉(zhuǎn)移。這一目的既可以通過使用可溶性的電子穿梭體，也可以通過膜結(jié)合的電子穿梭復(fù)合體。 氧化性的、膜結(jié)合的電子傳遞被認為是通過組成呼吸鏈的復(fù)合體完成的。已知細菌利用這一通路的例子有g(shù)eobacter metallireducens 、嗜水氣單胞菌（aeromonas hydrophila）以及rhodoferax ferrireducens。決定一個組分是否能發(fā)揮類似電子門控通道的主要要求在于，它的原子空間結(jié)構(gòu)相位的易接近性（即物理上能與電子供體和受體發(fā)生相互作用）。門控的勢能與陽極的高低關(guān)系則將決定實際上是否能夠使用這一門控（電子不能傳遞

10、給一個更還原的電極）。 mfcs中鑒定出的許多發(fā)酵性的微生物都具有某一種氫化酶，例如布氏梭菌和微腸球菌。氫化酶可能直接參加了電子向電極的轉(zhuǎn)移過程。最近，這一關(guān)于電子傳遞方法的設(shè)想由mckinlay和zeikus提出，但是它必須結(jié)合可移動的氧化穿梭體。它們展示了氫化酶在還原細菌表面的中性紅的過程中扮演了某一角色。 細菌可以使用可溶性的組分將電子從一個細胞（內(nèi)）的化合物轉(zhuǎn)移到電極的表面，同時伴隨著這一化合物的氧化。在很多研究中，都向反應(yīng)器中添加氧化型中間體比如中性紅，勞氏紫（thionin）和甲基紫蘿堿（viologen）。經(jīng)驗表明這些中間體的添加通常都是很關(guān)鍵的。但是，細菌也能夠自己制造這些氧化

11、中間體，通過兩種途徑：通過制造有機的、可以被可逆的還原化合物（次級代謝物），和通過制造可以被氧化的代謝中間物（初級代謝物）。 第一種途徑體現(xiàn)在很多種類的細菌中，例如腐敗謝瓦納拉菌（shewanella putrefaciens）以及銅綠假單胞菌（pseudomonas aeruginosa）。近期的研究表明這些微生物的代謝中間物影響著mfcs的性能，甚至普遍干擾了胞外電子的傳遞過程。失活銅綠假單胞菌的mfc中的這些與代謝中間體產(chǎn)生相關(guān)的基因，可以將產(chǎn)生的電流單獨降低到原來的二十分之一。由一種細菌制造的氧化型代謝中間體也能夠被其他種類的細菌在向電極傳遞電子的過程中所利用。 通過第二種途徑細菌能夠制造還原型的代謝中間體但還是需要利用初級代謝中間物使用代謝中間物如ha或者hgs作為媒介。schroder等利用e.c