微生物燃料电池中硝基酚生物阴极还原过程影响因素研究(2)
结 论 22
致 谢 23
参考文献24
1 引言
1．1 微生物燃料电池概述
微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是利用产电微生物（Electricigen）作为阳极催化剂，通过使系统中底物的电子发生迁移，形成电流，对外输出能量，从而实现将有机物中化学能转化为电能的装置。
1.1.1 MFC的起源与发展
MFC的起源可以追溯到19世纪20年代，1911年，英国植物学家 Potter 在把一些微生物放入培养基中进行培养，偶然间发现这些微生物的新陈代谢的产物能在输出大约0.4V 的电压以及0.2mA 左右的低电流【1】。
多年以后，美国的一些科学组织想要研发一种用于空间飞行，并且能利用宇航员的生活废弃物为原料转化为电能的燃料电池，这项计划促进了微生物燃料电池的发展，使得关于MFC的相关研究有了良好的进展。之后一直到了80年代，微生物燃料电池的相关研究又开始有了进一步的的发展，利用氧化还原介体的微生物电池被广泛地应用在社会的各个方面，但由于氧化还原介体造价非常昂贵，并且因为介体具有一定的毒性，会对生物体造成危害，这种微生物燃料电池并没有得到更深层次的发展。正因为如此，长期以来，有很多学者一直在研究，微生物燃料电池能否不利用介体工作。韩国科学技术学院的pHung等人用变性梯度凝胶电泳(DGGE)实验证明了电化学活性的贫营养微生物可以被富集，并且不同于富营养微生物。他们从包含PCR产物的E．coli DH5a克隆体中随机提取1500bp的16S rDNA，做限制性酶切片段多态性(RFLP)来选择不同的克隆体【2】，建立了在贫营养环境下培养适合于微生物燃料电池的微生物的系统。
1960 年至今，大部分的科学家们都认为添加电子传递中间体是微生物燃料电池工作产能的必要环节，是MFC能够正常工作的核心部分。但是Kim等人却发现一些微生物可以不需要中间介体就可以进行电子传递。这一发现打破了人们一贯的思路，使得建造低成本，不需要中间介体的微生物燃料电池成为可能【3】。
现在，微生物燃料电池的原料已经从最初以乙醇等纯净物为燃料，进化为到以生活生产的废弃物作为燃料。最新的研究结果表明，在经典的空气阴极燃料电池中，MFC对外输出的最大功率密度可以达到 1500mW/m2以上；而对于使用氰化铁作为阳极电子受体时，MFC的最大功率密度甚至可达到 4.31W/m2【4】.
1.1.2 微生物燃料电池的特性
微生物燃料电池具有以下优势：直接将底物的化学能转化为电能，能量利用率高；原料广泛，任何有机物都可以作为底物进行反应；操作条件简便，在平常的状态下就可以运行；主要产物为二氧化碳，对环境不会造成二次污染，有着良好的生物相容性；同时相比于其他的能源电池，微生物燃料电池使用寿命更长，只需要单纯补充底物就可以继续工作。
1.1.3 微生物燃料电池的分类
MFC是利用功能微生物作为反应催化剂，并依靠电子定向迁移对外输出电能的装置【5】。根据电子迁移的方式进行划分，可将MFC分为直接和间接的燃料电池。直接燃料电池就是指电子直接由底物转移到反应电极上；而间接MFC就是指反应底物先是在电解液中进行反应，然后释放的电子再通过中间介质传递到电极上。
从反应器的外型上可分为双室和单室MFC。双室微生物燃料电池构造比较简单，易于改变运行条件进行参照实验。单室微生物燃料的阴极室内不需要持续曝气，由于不用设置质子交换膜，降低了成本费用，但这样一来，MFC的底物利用效率却降低。
根据电子迁移是否需要中间介体，可将MFC分为有介体和无介体MFC。由于微生物的细胞膜的特别结构会对电子的迁移造成一定得阻碍，因此部分MFC需要借助介体将电子进行定向的迁移，这类MFC称为有介体MFC。而无介体MFC，是指功能微生物能够分泌电子传递体，电子能够不借助外加中间介体直接进行迁移。