Page 16 - 《精细化工》2020年第9期
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·1730· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 37 卷
[8]
1）。它的工作原理如下：在阳极室，微生物氧化代 称为“动力车间” 。微生物在代谢有机物的过程
谢有机物供自身繁殖增长，这个过程伴随电子和质 中产生电子，并通过电子传递链协助电子传递，阳
子的释放；释放的电子通过电子传递介质转移到阳 极上产电微生物可以认为是不同功能的细胞混合，
[9]
极上，然后通过外电路转移到阴极，同时还原型辅 它们作为细胞的动力源，可以用于发电、增殖 ，
酶Ⅰ（Nicotinamide adenine dinucleotide, NADH）释 具有较高电化学活性的微生物对 MFCs 的运行过程
放出的质子穿过质子交换膜到达阴极室 [3-4] ，在此过 具有重要作用 [10] 。20 世纪早期，POTTER [11] 发现并
程中，产电微生物直接影响电子传递速率和输出功 记录了产电微生物的电化学活性与电极之间的相
率密度，起到了核心作用。 互关系，他发现活的大肠杆菌在分解有机物的过程
中可以在电极上产生电流，这也许是目前所记录的
最早关于细胞外电子转移的报道。通常情况下，从
细胞内部代谢产生的电子到达阳极的催化机制可
分为两种，即直接电子传递机制和间接电子传递机
制 [12] （图 2）。其中，直接电子传递是微生物在没有
外源性电子介质的条件下将电子转移到阳极，细菌
和电极表面之间物理接触，借助纳米导线或氧化还
原活性蛋白传递电子；间接电子传递则需要介质的
参与，主要依赖于氧化还原穿梭体，如绿脓素、核
黄素。
以微生物代谢物葡萄糖为例，阳极及阴极反应如下。
阳极反应： C H O + 6H O 6CO + 24H + 24e
+
12
6
6
2
2
阴极反应： 6O + 24H + 24e 12H O
+
2
2
图 1 微生物燃料电池原理示意图
Fig. 1 Schematic diagram of microbial fuel cell
MFCs 技术可用于废水处理领域，在处理有机
废水时，其 COD 去除率可达到 85%以上，用于回
收废水中的铜离子时，回收率高达 84.5% [5-6] ；利用
阳极生物膜对废水中毒性物质的敏感性作为生物传 [12]
[7]
感器，筛选高效的电活性微生物是关键因素 。在 图 2 产电微生物与电极之间的电子传递机制
Fig. 2 Electron transfer mechanism between exoelectrogens
MFCs 系统中，产电微生物是核心要素，研究产电 and anode [12]
微生物的生理生化特性、电子传递特征对深入理解
MFCs 的产电模式及优化 MFCs 系统具有重要意义。 1.1 直接电子传递
然而，目前从电催化角度对微生物中电子转移的报 直接电子传递通过膜结合细胞蛋白质或纳米导
道相对较少，研究生物膜的形成对加快 MFCs 技术
线进行，在电子从细胞转移到电极的过程中没有氧化
的发展应用具有重要推进作用。 还原物质的参与 [13] 。研究发现，一些电化学活性微生
本文从不同种类微生物进行归纳总结，通过分 物具有高效的直接电子传递效率，如地杆菌科、红玉
析微生物的产电机制及电子传递的本质，产电微生
菌属和希瓦氏菌属，它们通过膜上的转运蛋白，将电
物在 MFCs 中的应用，影响微生物产电的因素等方 [14-15]
子从细胞内部传递到外膜上的固体电子受体上
面，更加充分的了解 MFCs 技术，以期为产电微生
（见图 3）。其中，细胞色素 C、多血红素蛋白是目
物的筛选及其 MFCs 的工程化应用提供理论基础。
前常见的电子传递蛋白，因而影响直接电子传递过
1 电子传递机制 程的主要限制因素就是细菌与电极的接触情况。革
兰氏阳性菌通过磷壁酸形成生物膜并参与直接电子
微生物可以在有氧或者无氧的条件下进行新陈 传递，磷壁酸具有黏附细菌于电极表面的功能，因
代谢活动，其中线粒体是产生能量的主要场所，被 而可以使膜蛋白与电极直接接触 [16] 。
