微生物燃料电池
摘要：微生物燃料电池的研究集中于产电细菌、电极材料和电池反应器构型等方面,同时,微生物燃料电池在废水处理、生物修复等方面具有广阔的应用前景。本文介绍了微生物燃料电池的原理、影响微生物燃料电池的因素及近几年微生物燃料电池在环境污染治理中的研究进展。 关键词：微生物燃料电池 双室 质子交换膜
微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）是利用微生物的催化作用将废弃物中碳水化合物的化学能转化为电能的一种装置[1]
。MFC是一种清洁能源，符合循环经济、清洁生产和可持续发展的要求。随着微生物、电化学及材料等学科的发展，MFC 的结构和性能不断改善[2]，逐步向环境领域扩展。MFC的构造在双室[3]的基础上出现了单室[4]及升流式MFC[5]，底物由单一小分子有机物，如醋酸钠[3]、葡萄糖[4]
，转向大分子混合有机物，如氯酚废水[6]、秸秆废水[7]、啤酒废水[8]等。本文对MFC的工作原理、构造态进行了讨论，对提高MFC性能的途径和方法进行了整合。 1 MFC工作原理及结构 1.1 MFC工作原理 微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂,降解有机物(葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等) 产生电子和质子。产生的电子传递到阳极,经外电路到达阴极,由此产生外电流;产生的质子通过分隔材料(质子交换膜(PEM) 或盐桥) 或直接通过电解液到达阴极,在阴极与电子、氧化物(铁氰化钾、氧气等) 发生还原反应,从而完成电池内部电荷的传递[9]。
而MFC另外一个重要的过程就是电子的转移(图1)[10]。目前学术界普遍接受的观点有三种：（1）细胞膜：该机理认为，生长在电极表面的细菌只有将细胞膜接触到电极的表面，代谢过程产生的电子才能通过细胞膜中的细胞色素传导到电极上[11]。有机物在细菌体内代谢，通过同化作用生成细胞体，异化作用生成CO2，释放的电子通过细胞色素传导到电极表面。直接电子转移需要微生物拥有膜连接电子运输蛋白质中间体，这种中间体能够将电子从细胞内部转移到外部，进而达到固态电子受体表面。直接电子转移通过膜外细胞色素完成，需要细胞（细胞色素）和电极发生物理接触。在这个过程只有阳极最表面的一层细菌才是具有电化学活性的，因此这一层的最大细胞密度就决定了MFC的整体性能。事实上，只有极少一部分微生物能够通过直接转移完成复杂有机物（比如葡萄糖[12]）。（2）电子中介
体转移：电子中介体是一种能够介入异化还原体系对电子起到运载作用的无机或有机小分子。当中介体处于氧化状态时，可以作为细胞的电子受体，在细胞外膜上得到还原酶的电子被还原，变成还原态的分子扩散到电极将电子送到电极表面，同时自身又转化成氧化态分子。（3）纳米导
线：是由微生物自身产生的一种类似于纤毛状的物质，具有传导电子的能力。Reguera等人使用原子力显微镜观察到Geobacter产生的纤毛，并将这种纤毛命名为“纳米导线”[13]。后来，Gorby等人发现，除了Geobacter以外的很多细菌都能
够产生纳米导线[14]。Shewanella oneidensis MR-1
能够通过自身产生的纳米导线和其它的细胞连
接在一起；在MFC的阳极表面，纳米导线交织在S.oneidensis MR-1细胞之间完成电子转移和传导；两种不同属的细菌也可以通过纳米导线联系起来，这个发现说明，除了Geobacteraceae以外的其它细菌也能够产生这种纤毛类的“纳米导线”。
图1 MFC中微生物向电极传递电子的主要机制 1.2 MFC反应器的结构 当前，MFC 反应器反应室的构型呈现多元化，常见几种代表性的反应器构型是双极室、单极室、升流式、旋转阴极式和阴阳极连续式。在实际应用中最大区别是有无质子交换膜。质子交
换膜的功能是起到质子传递作用，并防止其它物质（如有机质和氧气）的扩散，但是对氧气的屏蔽作用不理想、对胺敏感，而会增加系统的内阻而降低反应器的产电效率，且价格昂贵，成本高。因此，改变电池结构，省去昂贵的质子交换膜和减小内阻，增大功率输出是当前研究的重点[15]。
1.2.1 两室MFC
MFC最早是两室系统, 该系统包含2个被质子透过材料分隔的反应室, 即阳极室和阴极室。阳极室含有细菌, 必须密封以防氧气进入, 并不断通氮气以确保厌氧环境, 阴极室可曝气以提供溶解氧, 如图2所示[16] 。两室MFC又可以被分成2类。由于大部分微生物不具有电化学活性, 电子无法直接从微生物到达电极, 早期的MFC需要添加硫堇、二磺酸(AQDS) 、2, 6-蒽醌、铁氰化钾、甲基紫和中性红等中介体, 从而提高电子传递效率和MFC内部的反应速率, 即有介体MFC。另一类不需要添加这些物质被称为无介MFC( 图3)。无介体微生物燃料电池又称为直接MFC，是燃料直接在电极上被氧化，电子从燃料
图3用于废水处理同步产能的SCMFC的结构图
1.2.2单室MFC
两室MFC最大的缺点是必须不断补充电解质, 而且阴极室必须曝气。所以发展了一种更简单有效的MFC以替代两室MFC, 即单室MFC ( S ingle chamber microbial fuel cell SCMFC), SCMFC可以省略阴极室而将阴极直接与PEM 粘合后面向空气放入阳极室构成阳极室的一壁,而且不需要曝气, 空气中的氧气直接传递给阴极, 从而不仅增大了反应器容积, 可以提高产电量, 而且可以节省专门通气的能耗。典型单室MFC的阴极和质子膜压合在一起, 阳极独立, 由于阳极和质子膜间有一段距离(两者间是阳极溶液),从阴极透过质子膜的氧再传递到阳极上的量很低, 故对阳极上产电微生物的影响较小。Liu等较早
分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化在电极表面上的反应[17]。常用介体价格昂贵, 使用寿命短,
且对微生物有毒害作用。
图2 微生物燃料电池工作原理 典型的双室MFC(由PEM 分隔) 典型反应如下:
阳极:C6H12O6 + 6H2O→ 6CO2 + 24H+ + 24 e - 阴极:6O2 + 24H+ + 24 e -→ 12H2O
开发了单室MFC反应器用于废水处理, 如图3所示[18- 19]。当电极间距从4 cm降低到2 cm 时, 由于内阻的降低, 功率密度输出从720mW /m2提高到1 210mW /m2。
通过对微生物燃料电池的研究可知, 影响产电量的一个重要的因素是两电极间的内电阻。因此, Cao等继而开发出了将阳极、质子膜和阴极依次压合在一起的“三合一”微生物燃料电池。此系统采用2个阴阳极, 在一定程度上可以增加产电[20] 。
单室MFC只有阳极室，阴极室被电极代替，其主要特点是阴极只能使用空气作为电子受体。因此，可以看出，MFC的设计在很大程度上取决于阴极设计结构和使用的电子受体，因此，从这个意义上讲，MFC的性能在很大程度上取决于阴极的性能。
1.2.3 填料式MFC
我国研究者在以上两种经典结构的基础上,结合污水处理设备的特点,发展出了一些改进设计[21]。尤世界等[22] 设计了以颗粒石墨为阳极的管状ACMFC。以厌氧污泥为活性微生物,葡萄糖为底物,最大功率密度达50.2W·m- 3 。填充式结构极大地增大了微生物和电极的接触面积,促进了电子传输,内阻很小(仅27Ω) 。梁鹏等[23 ]组装了填料型MFC,并与平板型MFC 做了对比。碳
毡与碳纸烧结体填料型MFC与平板型MFC 相比,面积内阻从0.1080Ω/m2下降到0.1051Ω/m2 , 最大输出功率密度从1 178mW·m- 2(29.5W·m- 3 ) 上升到2 426mW·m- 2 (60.7W·m- 3 ) 。该填料型MFC 在600Ω 外电阻下长期稳定运行30d 以上,CE 约为10.6 %。
1.2.4质子交换膜( Proton Exchange Membrane, 究的主要方向。
2.1 产电微生物方面
从初期的单一菌种到现在的混合菌种、尤世界等[30] 以厌氧活性污泥作为接种体成功启动空气阴极微生物燃料电池(ACMFC)、 Mohan 等[31] 以生物反应器中的厌氧产氢混合菌为菌源,酸性条件下驯化,即维持产氢菌群活性的同时抑制产PEM)
PEM的作用在于有效传输质子, 同时抑制反应气体的渗透[24]。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。但PEM成本较高。有研究表明, 可以通过去除质子交换膜而进一步提高MFC的电能输出[25]。L iu等用无质子交换膜的MFC (Membrane-less microbial fuel cell, ML-MFC) )处理污水时发现, 当去掉质子交换膜后,减少了内阻, 功率密度上升到494 mW /m2, 为有质子交换膜的5倍[26]。无膜MFC在近年发展得较快, Jang等开发出无膜MFC(图4)并成功应用在富集电化学活性微生物并将有机污染物转化为电能的研究中[27] , 引起了很多人对MFC的关注。应用上流式无膜MFC处理废水, 在电化学活性微生物富集阶段, 分批运行条件下可以得到536mW /m3的输出功率[28] 。无膜MFC可以通过降低投资、削减膜购买及维持的费用进一步提高MFC用于废水处理的经济可行性[29]。
图4无膜微生物燃料电池结构示意 2 提高MFC产电途径 微生物燃料电池是一种新型能源转化装置，现如今所面临的问题就是电池输出功率密度比较低，如何提高MFC输出功率密度是近几年研甲烷菌。以该驯化富集的产氢菌群成功启动了双室MFC、Ieropoulos 等[32] 和丁平等[33] 分别研究了Desulfovibrio desulforicans 和Desulfovibrio salexigens (需盐脱硫弧菌)作为活性微生物的MFC。这些都在一定程度上有效的提高了MFC的输出功率密度。
2.2 电池材料的选择
（1）质子交换膜，有研究者改用其他材料如尼龙、纤维素、聚醋酸酯或者玻璃绒代替PEM。Biffinger 等[34] 比较了微型MFC中使用不同膜材料的产电性能。相同条件下,尼龙膜(最高功率17μW) 和聚醋酸酯膜的产电功率(最高功率19μW) 都比Nafion 膜(最高功率13μW)高。
（2）阳极，目前MFC的阳极材料主要是石墨、碳纸、碳毡等碳电极。提高阳极材料的孔体积和表面积[35]或进行氨气处理[36]都可以提高产电效果;近年来,制备和应用多孔复合材料也成了阳极研究的新方向。Qiao 等[37]研究了碳纳米管( CNT)/聚苯胺(PANI) 复合体作为阳极材料的MFC。对比实验表明,掺杂20 wt % CNT 的复合物阳极呈网状多孔结构,内阻最小,具有最好的电化学活性和最高的功率密度。随后该小组又合成了纳米结构的PANI/TiO2 复合体[38] , 并以此作为阳极材料启动双室E.coli-MFC。对比实验表明, PANI 含量30wt %时,具有最佳生物和电催化性能。该电池阳极功率密度高达1495mW·m- 2 。
(3)阴极, Liu Hong等[39]以空气为阴极，以葡萄糖为底物，带有质子交换膜的微生物燃料电池的最大输出功率为262 mW/m2，去掉质子交换膜后，最大输出功率为494mW/m2。Rhodes[40]在外电子介体存在条件下，以玻碳纤维为电极材料，在锰氧化菌（Leptothrix discophora）作用下可制 成固体阴极，此时两室微生物燃料电池可实现连
续产电，最大输出电压可达到127 mW/m2。Ter
Heijne[41]以循环使用的氯酸铁或硫酸铁溶液为阴
极溶液，向阴极室不断鼓入空气，用双极板将两
室分开，此种微生物燃料电池的最大输出功率是860 mW/m2。 2.3其它方面
①Strik 等 设计出一种植物MFC ,植根于阳极室的绿色植物通过光合作用将二氧化碳转换为碳水化合物,在根部形成根瘤沉积物;具有电化学活性的微生物将植物根系中的根瘤沉积物(主要是碳水化合物) 转化成二氧化碳,同时产生电子。这种MFC的竞争力主要体现在:它能原位将太阳能直接转换为电能。②Prasad 等[43] 以Thiobacillus ferrooxidans为阴极活性菌成功启动了双室MFC ,实现了真正意义上的微生物燃料电池(即阴阳极反应都是由微生物催化) 。Chen 等[44]
以混合菌群作为阴极活性菌启动MFC,阴极负荷20ml/min 时, 获得最大功率密度
19153W·m- 3 。③Liu 等[39] 研究表明,对于单室MFC,缩短阳极和阴极之间的距离可以极大地提高产电性能。④姚璐等[45]采用低强度超声波短时间辐照反应器,结果功率密度和CE 都有所提高。这是因为:短时间低强度超声波的机械应力可以在细胞表面瞬间造成细小损伤,该损伤伤口很小,容易被自身修复,在其修复过程中,酶的分泌增多,细胞繁殖加快,新陈代谢活性增强,由此提高了MFC产电能力。⑤减小电极间距能增大溶液中离子和质子的转移速度及底物和生成物的传质速
[42]
度，降低内阻，提高输出功率[46]。 3 MFC在环境污染治理中的应用
微生物燃料电池可以通过微生物作用，将污染环境中的有机物甚至有毒物质降解，在此做简单介绍:①MFC用于脱氮,You 等在阴极室添加好氧活性污泥，并补给氨氮为电子供体，以取代常用的磷酸盐缓冲液，不仅实现了NH3 -N 的去除，而且降低了MFC的内阻[47]。②MFC用于脱
硫, Rabaey 等构建了不同结构的MFC并与厌氧 甲烷消化装置结合，可以实现对硫化物、硫酸盐和乙酸盐的去除，提高甲烷生成效率，减少了该过程的能量损失[48]。③MFC还可用于偶氮类染料降解、用于垃圾渗滤液处理、用于金属还原与氧化、用于纤维类固体生物质资源化[49]。
3总结
要实现MFC的实际应用，提高其产电能力是关键。优化产电微生物和电池结构组成都能提高MFC的产电能力。在产电微生物方面，混合菌群更有优势。在MFC结构方面,填料型MFC显示出更好的产电效果和应用可行性。总之，MFC的研究空间才刚起步,需要研究者探索的还有很多。
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而MFC另外一个重要的过程就是电子的转移(图1)[10]。目前学术界普遍接受的观点有三种：（1）细胞膜：该机理认为，生长在电极表面的细菌只有将细胞膜接触到电极的表面，代谢过程产生的电子才能通过细胞膜中的细胞色素传导到电极上[11]。有机物在细菌体内代谢，通过同化作用生成细胞体，异化作用生成CO2，释放的电子通过细胞色素传导到电极表面。直接电子转移需要微生物拥有膜连接电子运输蛋白质中间体，这种中间体能够将电子从细胞内部转移到外部，进而达到固态电子受体表面。直接电子转移通过膜外细胞色素完成，需要细胞（细胞色素）和电极发生物理接触。在这个过程只有阳极最表面的一层细菌才是具有电化学活性的，因此这一层的最大细胞密度就决定了MFC的整体性能。事实上，只有极少一部分微生物能够通过直接转移完成复杂有机物（比如葡萄糖[12]）。（2）电子中介
体转移：电子中介体是一种能够介入异化还原体系对电子起到运载作用的无机或有机小分子。当中介体处于氧化状态时，可以作为细胞的电子受体，在细胞外膜上得到还原酶的电子被还原，变成还原态的分子扩散到电极将电子送到电极表面，同时自身又转化成氧化态分子。（3）纳米导
线：是由微生物自身产生的一种类似于纤毛状的物质，具有传导电子的能力。Reguera等人使用原子力显微镜观察到Geobacter产生的纤毛，并将这种纤毛命名为“纳米导线”[13]。后来，Gorby等人发现，除了Geobacter以外的很多细菌都能
够产生纳米导线[14]。Shewanella oneidensis MR-1
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接在一起；在MFC的阳极表面，纳米导线交织在S.oneidensis MR-1细胞之间完成电子转移和传导；两种不同属的细菌也可以通过纳米导线联系起来，这个发现说明，除了Geobacteraceae以外的其它细菌也能够产生这种纤毛类的“纳米导线”。
图1 MFC中微生物向电极传递电子的主要机制 1.2 MFC反应器的结构 当前，MFC 反应器反应室的构型呈现多元化，常见几种代表性的反应器构型是双极室、单极室、升流式、旋转阴极式和阴阳极连续式。在实际应用中最大区别是有无质子交换膜。质子交
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1.2.1 两室MFC
MFC最早是两室系统, 该系统包含2个被质子透过材料分隔的反应室, 即阳极室和阴极室。阳极室含有细菌, 必须密封以防氧气进入, 并不断通氮气以确保厌氧环境, 阴极室可曝气以提供溶解氧, 如图2所示[16] 。两室MFC又可以被分成2类。由于大部分微生物不具有电化学活性, 电子无法直接从微生物到达电极, 早期的MFC需要添加硫堇、二磺酸(AQDS) 、2, 6-蒽醌、铁氰化钾、甲基紫和中性红等中介体, 从而提高电子传递效率和MFC内部的反应速率, 即有介体MFC。另一类不需要添加这些物质被称为无介MFC( 图3)。无介体微生物燃料电池又称为直接MFC，是燃料直接在电极上被氧化，电子从燃料
图3用于废水处理同步产能的SCMFC的结构图
1.2.2单室MFC
两室MFC最大的缺点是必须不断补充电解质, 而且阴极室必须曝气。所以发展了一种更简单有效的MFC以替代两室MFC, 即单室MFC ( S ingle chamber microbial fuel cell SCMFC), SCMFC可以省略阴极室而将阴极直接与PEM 粘合后面向空气放入阳极室构成阳极室的一壁,而且不需要曝气, 空气中的氧气直接传递给阴极, 从而不仅增大了反应器容积, 可以提高产电量, 而且可以节省专门通气的能耗。典型单室MFC的阴极和质子膜压合在一起, 阳极独立, 由于阳极和质子膜间有一段距离(两者间是阳极溶液),从阴极透过质子膜的氧再传递到阳极上的量很低, 故对阳极上产电微生物的影响较小。Liu等较早
分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化在电极表面上的反应[17]。常用介体价格昂贵, 使用寿命短,
且对微生物有毒害作用。
图2 微生物燃料电池工作原理 典型的双室MFC(由PEM 分隔) 典型反应如下:
阳极:C6H12O6 + 6H2O→ 6CO2 + 24H+ + 24 e - 阴极:6O2 + 24H+ + 24 e -→ 12H2O
开发了单室MFC反应器用于废水处理, 如图3所示[18- 19]。当电极间距从4 cm降低到2 cm 时, 由于内阻的降低, 功率密度输出从720mW /m2提高到1 210mW /m2。
通过对微生物燃料电池的研究可知, 影响产电量的一个重要的因素是两电极间的内电阻。因此, Cao等继而开发出了将阳极、质子膜和阴极依次压合在一起的“三合一”微生物燃料电池。此系统采用2个阴阳极, 在一定程度上可以增加产电[20] 。
单室MFC只有阳极室，阴极室被电极代替，其主要特点是阴极只能使用空气作为电子受体。因此，可以看出，MFC的设计在很大程度上取决于阴极设计结构和使用的电子受体，因此，从这个意义上讲，MFC的性能在很大程度上取决于阴极的性能。
1.2.3 填料式MFC
我国研究者在以上两种经典结构的基础上,结合污水处理设备的特点,发展出了一些改进设计[21]。尤世界等[22] 设计了以颗粒石墨为阳极的管状ACMFC。以厌氧污泥为活性微生物,葡萄糖为底物,最大功率密度达50.2W·m- 3 。填充式结构极大地增大了微生物和电极的接触面积,促进了电子传输,内阻很小(仅27Ω) 。梁鹏等[23 ]组装了填料型MFC,并与平板型MFC 做了对比。碳
毡与碳纸烧结体填料型MFC与平板型MFC 相比,面积内阻从0.1080Ω/m2下降到0.1051Ω/m2 , 最大输出功率密度从1 178mW·m- 2(29.5W·m- 3 ) 上升到2 426mW·m- 2 (60.7W·m- 3 ) 。该填料型MFC 在600Ω 外电阻下长期稳定运行30d 以上,CE 约为10.6 %。
1.2.4质子交换膜( Proton Exchange Membrane, 究的主要方向。
2.1 产电微生物方面
从初期的单一菌种到现在的混合菌种、尤世界等[30] 以厌氧活性污泥作为接种体成功启动空气阴极微生物燃料电池(ACMFC)、 Mohan 等[31] 以生物反应器中的厌氧产氢混合菌为菌源,酸性条件下驯化,即维持产氢菌群活性的同时抑制产PEM)
PEM的作用在于有效传输质子, 同时抑制反应气体的渗透[24]。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。但PEM成本较高。有研究表明, 可以通过去除质子交换膜而进一步提高MFC的电能输出[25]。L iu等用无质子交换膜的MFC (Membrane-less microbial fuel cell, ML-MFC) )处理污水时发现, 当去掉质子交换膜后,减少了内阻, 功率密度上升到494 mW /m2, 为有质子交换膜的5倍[26]。无膜MFC在近年发展得较快, Jang等开发出无膜MFC(图4)并成功应用在富集电化学活性微生物并将有机污染物转化为电能的研究中[27] , 引起了很多人对MFC的关注。应用上流式无膜MFC处理废水, 在电化学活性微生物富集阶段, 分批运行条件下可以得到536mW /m3的输出功率[28] 。无膜MFC可以通过降低投资、削减膜购买及维持的费用进一步提高MFC用于废水处理的经济可行性[29]。
图4无膜微生物燃料电池结构示意 2 提高MFC产电途径 微生物燃料电池是一种新型能源转化装置，现如今所面临的问题就是电池输出功率密度比较低，如何提高MFC输出功率密度是近几年研甲烷菌。以该驯化富集的产氢菌群成功启动了双室MFC、Ieropoulos 等[32] 和丁平等[33] 分别研究了Desulfovibrio desulforicans 和Desulfovibrio salexigens (需盐脱硫弧菌)作为活性微生物的MFC。这些都在一定程度上有效的提高了MFC的输出功率密度。
2.2 电池材料的选择
（1）质子交换膜，有研究者改用其他材料如尼龙、纤维素、聚醋酸酯或者玻璃绒代替PEM。Biffinger 等[34] 比较了微型MFC中使用不同膜材料的产电性能。相同条件下,尼龙膜(最高功率17μW) 和聚醋酸酯膜的产电功率(最高功率19μW) 都比Nafion 膜(最高功率13μW)高。
（2）阳极，目前MFC的阳极材料主要是石墨、碳纸、碳毡等碳电极。提高阳极材料的孔体积和表面积[35]或进行氨气处理[36]都可以提高产电效果;近年来,制备和应用多孔复合材料也成了阳极研究的新方向。Qiao 等[37]研究了碳纳米管( CNT)/聚苯胺(PANI) 复合体作为阳极材料的MFC。对比实验表明,掺杂20 wt % CNT 的复合物阳极呈网状多孔结构,内阻最小,具有最好的电化学活性和最高的功率密度。随后该小组又合成了纳米结构的PANI/TiO2 复合体[38] , 并以此作为阳极材料启动双室E.coli-MFC。对比实验表明, PANI 含量30wt %时,具有最佳生物和电催化性能。该电池阳极功率密度高达1495mW·m- 2 。
(3)阴极, Liu Hong等[39]以空气为阴极，以葡萄糖为底物，带有质子交换膜的微生物燃料电池的最大输出功率为262 mW/m2，去掉质子交换膜后，最大输出功率为494mW/m2。Rhodes[40]在外电子介体存在条件下，以玻碳纤维为电极材料，在锰氧化菌（Leptothrix discophora）作用下可制 成固体阴极，此时两室微生物燃料电池可实现连
续产电，最大输出电压可达到127 mW/m2。Ter
Heijne[41]以循环使用的氯酸铁或硫酸铁溶液为阴
极溶液，向阴极室不断鼓入空气，用双极板将两
室分开，此种微生物燃料电池的最大输出功率是860 mW/m2。 2.3其它方面
①Strik 等 设计出一种植物MFC ,植根于阳极室的绿色植物通过光合作用将二氧化碳转换为碳水化合物,在根部形成根瘤沉积物;具有电化学活性的微生物将植物根系中的根瘤沉积物(主要是碳水化合物) 转化成二氧化碳,同时产生电子。这种MFC的竞争力主要体现在:它能原位将太阳能直接转换为电能。②Prasad 等[43] 以Thiobacillus ferrooxidans为阴极活性菌成功启动了双室MFC ,实现了真正意义上的微生物燃料电池(即阴阳极反应都是由微生物催化) 。Chen 等[44]
以混合菌群作为阴极活性菌启动MFC,阴极负荷20ml/min 时, 获得最大功率密度
19153W·m- 3 。③Liu 等[39] 研究表明,对于单室MFC,缩短阳极和阴极之间的距离可以极大地提高产电性能。④姚璐等[45]采用低强度超声波短时间辐照反应器,结果功率密度和CE 都有所提高。这是因为:短时间低强度超声波的机械应力可以在细胞表面瞬间造成细小损伤,该损伤伤口很小,容易被自身修复,在其修复过程中,酶的分泌增多,细胞繁殖加快,新陈代谢活性增强,由此提高了MFC产电能力。⑤减小电极间距能增大溶液中离子和质子的转移速度及底物和生成物的传质速
[42]
度，降低内阻，提高输出功率[46]。 3 MFC在环境污染治理中的应用
微生物燃料电池可以通过微生物作用，将污染环境中的有机物甚至有毒物质降解，在此做简单介绍:①MFC用于脱氮,You 等在阴极室添加好氧活性污泥，并补给氨氮为电子供体，以取代常用的磷酸盐缓冲液，不仅实现了NH3 -N 的去除，而且降低了MFC的内阻[47]。②MFC用于脱
硫, Rabaey 等构建了不同结构的MFC并与厌氧 甲烷消化装置结合，可以实现对硫化物、硫酸盐和乙酸盐的去除，提高甲烷生成效率，减少了该过程的能量损失[48]。③MFC还可用于偶氮类染料降解、用于垃圾渗滤液处理、用于金属还原与氧化、用于纤维类固体生物质资源化[49]。
3总结
要实现MFC的实际应用，提高其产电能力是关键。优化产电微生物和电池结构组成都能提高MFC的产电能力。在产电微生物方面，混合菌群更有优势。在MFC结构方面,填料型MFC显示出更好的产电效果和应用可行性。总之，MFC的研究空间才刚起步,需要研究者探索的还有很多。
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