Page 21 - 《精细化工》2020年第9期
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第 9 期                      刘远峰，等:  微生物燃料电池中阳极产电菌的研究进展                                   ·1735·


            质量浓度在 0.5 mg/L 以下。盐浓度主要影响细胞的                       适宜微生物生长富集         [59-60] 。YU 等 [61] 用 Fe 3 O 4 和膨润
            渗透压，一些海底中生存的产电微生物需要较高的                             土/Fe 分别来修饰碳毡电极，16S rRNA 测序表明阳
            盐浓度维持正常生长。处理的水质特点会影响微生                             极经过修饰后，微生物群落结构发生了变化，表 3
            物的活性，若处理水质是以碳元素为主的有机化合                             记录了阳极的微生物情况。与原始土壤中微生物相
            物，易于降解，产电性能较好；若包含一些有毒有                             比，阳极表面微生物的丰富度提高，但微生物种类
            害物质如酚类及重金属，则微生物活性受抑制，导                             的均匀程度降低，与碳毡相比，微生物的覆盖度好，
            致产电性能降低        [31] 。同理，营养物质的浓度对微生                 进一步说明改性后的电极不仅具有好的生物相容
            物的生长有很大的影响，营养物质耗尽时微生物停                             性，而且可用于筛选产电微生物。
            止生长，产电效率降低。生长因子主要调节微生物
                                                                     表 3   阳极的物种多样性及丰富度指数           [61]
            的生长代谢，除了广义的维生素之外，还包括一些                             Table 3    Species diversity and abundance indices of anodes  [61]
                              2+
                                    2+
                       2+
            离子，如 Ca 、Mg 及 Zn 等。由于 MFCs 的一个                            香农多样 辛普森多样
            独特优势是用微生物来产电，因而需要保证微生物                               电极    性指数     性指数    ACE Chao1 覆盖度 物种 序列
            的高活性，提高 MFCs 的产电性能需要改善微生物                          膨润土/     4.989  0.0167  986  994  0.995  871 36647
            的电化学活性。采用化学方法修饰微生物可以加快                             Fe/碳毡
            电子的传递效率，因为化学试剂改变了微生物的脂                             Fe 3O 4/   4.989  0.0165  973  971  0.996  883 41309
                                                               碳毡
            多糖结构，保证了微生物电子传递链的完整性。LIU
            等 [56] 采用乙二胺四乙酸处理铜绿假单胞菌，增加了                        碳毡       5.040  0.0163  978  982  0.994  864 31725
                                                               土壤       4.549  0.0363  855  890  0.995  716 37850
            电子传输通道及微生物表面粗糙度，极大地改善了
                                                                   注：香农多样性指数为微生物群落多样性指数，指数高代
                                    [57]
            MFCs 的产电性能。XU 等           研究发现，低浓度的重
                                                               表物种多样性好；辛普森多样性指数为微生物群落均匀度指数，
            金属会促进微生物的代谢，改善 MFCs 的产电性能。                         数值高代表更均匀；ACE 及 Chao1 为微生物丰富度指数，指数
                                      2+
                                2+
            图 6 为不同含量的 Cu 和 Cd 对输出电压的影响。                       高代表丰富度高。

                                                                   尽管一些经过修饰后的电极材料具有好的生物
                                                               相容性，能显著提高产电微生物的附着量，但微生
                                                               物数量过多会使电极材料产生生物污损现象，一些
                                                               不导电的碎片限制 MFCs 的产电性能，及时清除阳
                                                               极上活性低的微生物并为高效产电微生物提供附着
                                                               位点可以极大地提高 MFCs 的产电能力。目前多通
                                                               过物理化学方法清洗阳极，且在接种产电微生物的
                                                               过程中避免杂菌感染，提高优势菌种的含量。


                                                               4   总结与展望
                   2+
                         2+
            图 6  Cu 和 Cd 质量浓度对 MFCs 最大输出电压的影响           [57]
                                    2+
                             2+
            Fig. 6  Effect  of Cu  or Cd  mass concentration on  the   MFCs 技术利用微生物的催化作用将污水处理
                   maximum voltage output of MFCs [57]
                                                               与能源结合起来，未来有望发展成为污水处理替代
                                                  2+
                 由图 6 可见，与对照组相比，添加 Cu 和 Cd               2+    技术。MFCs 技术已在水处理领域开展了大量的研
            质量浓度为 1  μg/L 时，MFCs 的输出电压最大，分                     究，取得了不错的效果，但目前相对较低的产电效
            别提高了 1.4 倍和 1.5 倍，低浓度的重金属刺激了核                      率导致投入与产出不平衡是制约 MFCs 技术应用的
            黄素的产生，并且促进微生物在电极表面的附着。                             瓶颈。污水中的有机物含有大量的化学能，其潜在
                 有研究表明，通过基因改造微生物电子传递介                          的有机能源价值约是污水处理成本的 10 倍，若能利
            质的合成途径可以提高 MFCs 的产电性能。YONG                         用潜在能源的 5%，便可解决污水处理的成本问题。
            等 [58] 通过控制绿脓杆菌的合成途径，使得甲基转移                            阳极不仅作为电子传输的导体，还是产电微生
            酶编码基因过表达，提高了接种绿脓杆菌 MFCs 的                          物附着的载体，因而，具有较好的生物相容性和导
            胞外电子传递效率，与接种初始菌株相比，最大输                             电性的电极材料符合 MFCs 设计的需要。碳基阳极
                                          2
            出功率密度增加了 166.68 μW/cm 。                            材料具有好的生物相容性，金属材料具有好的导电
                 电极材料作为微生物生长的载体，改善电极表                          性，制备复合电极材料可以发挥优势作用，相对粗
            面的生物相容性，提高电极比表面积会对微生物的                             糙的表面有助于微生物的附着，改善电极材料的比
            富集产生积极作用。碳纳米纤维的生物相容性好，                             表面积，提高阳极上产电微生物的数量，因而，高
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