微生物燃料電池（MFCs）提供了從可生物降解的、復(fù)原的化合物中維持能量產(chǎn)生的新時(shí)機(jī)。MFCs能夠應(yīng)用不同的碳水化合物，同時(shí)也能夠應(yīng)用廢水中含有的各種復(fù)雜物質(zhì)。關(guān)于它所觸及的能量代謝過程，以及細(xì)菌應(yīng)用陽極作為電子受體的實(shí)質(zhì)，目前都只要極端有限的信息；還沒有樹立關(guān)于其中電子傳送機(jī)制的明晰理論。假使要優(yōu)化并完好的開展MFCs的產(chǎn)能理論，這些學(xué)問都是必需的。根據(jù)MFC工作的參數(shù)，細(xì)菌運(yùn)用著不同的代謝通路。這也決議了如何選擇特定的微生物及其對(duì)應(yīng)的不同的性能。在此，我們將討論細(xì)菌是如何運(yùn)用陽極作為電子傳送的受體，以及它們產(chǎn)能輸出的才能。對(duì)MFC技術(shù)的評(píng)價(jià)是在與目前其它的產(chǎn)能途徑比擬下作出的。

微生物燃料電池并不是新興的東西，應(yīng)用微生物作為電池中的催化劑這一概念從上個(gè)世紀(jì)70年代就已存在，并且運(yùn)用微生物燃料電池處置家庭污水的想象也于1991年完成。但是，經(jīng)過提升能量輸出的微生物燃料電池則是重生的，為這一事物的實(shí)踐應(yīng)用提供了可能的時(shí)機(jī)。

MFCs將能夠被生物降解的物質(zhì)中可應(yīng)用的能量直接轉(zhuǎn)化成為電能。要到達(dá)這一目的，只需求使細(xì)菌從應(yīng)用它的自然電子傳送受體，例如氧或者氮，轉(zhuǎn)化為應(yīng)用不溶性的受體，比方MFC的陽極。這一轉(zhuǎn)換能夠經(jīng)過運(yùn)用膜聯(lián)組分或者可溶性電子穿越體來完成。然后電子經(jīng)由一個(gè)電阻器流向陰極，在那里電子受體被復(fù)原。與厭氧性消化作用相比，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)有的其它應(yīng)用有機(jī)物產(chǎn)能的技術(shù)相比，MFCs具有操作上和功用上的優(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)有的一切生物能處置，MFCs在常溫，以至是低溫的環(huán)境條件下都可以有效運(yùn)作。第三，MFC不需求停止廢氣處置，由于它所產(chǎn)生的廢氣的主要組分是二氧化碳，普通條件下不具有可再應(yīng)用的能量。第四，MFCs不需求能量輸入，由于僅需通風(fēng)就能夠被動(dòng)的補(bǔ)充陰極氣體。第五，在缺乏電力根底設(shè)備的部分地域，MFCs具有普遍應(yīng)用的潛力，同時(shí)也擴(kuò)展了用來滿足我們對(duì)能源需求的燃料的多樣性。

微生物燃料電池中的代謝

為了權(quán)衡細(xì)菌的發(fā)電才能，控制微生物電子和質(zhì)子流的代謝途徑必需要肯定下來。除去底物的影響之外，電池陽極的勢能也將決議細(xì)菌的代謝。增加MFC的電流會(huì)降低陽極電勢，招致細(xì)菌將電子傳送給更具復(fù)原性的復(fù)合物。因而陽極電勢將決議細(xì)菌最終電子穿越的氧化復(fù)原電勢，同時(shí)也決議了代謝的類型。依據(jù)陽極勢能的不同可以辨別一些不同的代謝途徑：高氧化復(fù)原氧化代謝，中氧化復(fù)原到低氧化復(fù)原的代謝，以及發(fā)酵。因而，目前報(bào)道過的MFCs中的生物從好氧型、兼性厭氧型到嚴(yán)厲厭氧型的都有散布。

在高陽極電勢的狀況下，細(xì)菌在氧化代謝時(shí)可以運(yùn)用呼吸鏈。電子及其相隨同的質(zhì)子傳送需求經(jīng)過NADH脫氫酶、泛醌、輔酶Q或細(xì)胞色素。Kim等研討了這條通路的應(yīng)用狀況。他們察看到MFC中電流的產(chǎn)生可以被多種電子呼吸鏈的抑止劑所阻斷。在他們所運(yùn)用的MFC中，電子傳送系統(tǒng)應(yīng)用NADH脫氫酶，F(xiàn)e/S（鐵/硫）蛋白以及醌作為電子載體，而不運(yùn)用電子傳送鏈的2號(hào)位點(diǎn)或者末端氧化酶。通常察看到，在MFCs的傳送過程中需求應(yīng)用氧化磷酸化作用，招致其能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)65%。常見的實(shí)例包括假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），微腸球菌（Enterococcus faecium）以及Rhodoferax ferrireducens。

假如存在其它可替代的電子受體，如硫酸鹽，會(huì)招致陽極電勢降低，電子則易于堆積在這些組分上。當(dāng)運(yùn)用厭氧淤泥作為接種體時(shí)，能夠反復(fù)性的察看到沼氣的產(chǎn)生，提示在這種狀況下細(xì)菌并未運(yùn)用陽極。假如沒有硫酸鹽、硝酸鹽或者其它電子受體的存在，假如陽極持續(xù)維持低電勢則發(fā)酵就成為此時(shí)的主要代謝過程。例如，在葡萄糖的發(fā)酵過程中，觸及到的可能的反響是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2 或 6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它標(biāo)明，從理論上說，六碳底物中最多有三分之一的電子可以用來產(chǎn)生電流，而其它三分之二的電子則保管在產(chǎn)生的發(fā)酵產(chǎn)物中，如乙酸和丁酸鹽。總電子量的三分之一用來發(fā)電的緣由在于氫化酶的性質(zhì)，它通常運(yùn)用這些電子產(chǎn)生氫氣，氫化酶普通位于膜的外表以便于與膜外的可活動(dòng)的電子穿越體相接觸，或者直接接觸在電極上。同反復(fù)察看到的現(xiàn)象分歧，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），都曾經(jīng)從MFCs中別離出來。此外，在獨(dú)立發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，察看到在無氧條件下MFC富集培育時(shí)，有豐厚的氫氣產(chǎn)生，這一現(xiàn)象也進(jìn)一步的支持和考證這一通路。

發(fā)酵的產(chǎn)物，如乙酸，在低陽極電勢的狀況下也可以被諸如泥菌屬等厭氧菌氧化，它們可以在MFC的環(huán)境中攫取乙酸中的電子。

代謝途徑的差別與已觀測到的氧化復(fù)原電勢的數(shù)據(jù)一同，為我們一窺微生物電動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)深化的窗口。一個(gè)在外部電阻很低的狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)的MFC，在剛開端在生物量積聚時(shí)期只產(chǎn)生很低的電流，因而具有高的陽極電勢（即低的MFC電池電勢）。這是關(guān)于兼性好氧菌和厭氧菌的選擇的結(jié)果。經(jīng)過培育生長，它的代謝轉(zhuǎn)換率，表現(xiàn)為電流程度，將升高。所產(chǎn)生的這種適中的陽極電勢程度將有利于那些順應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物生長。但是此時(shí)，專性厭氧型微生物依然會(huì)遭到陽極倉內(nèi)存在的氧化電勢，同時(shí)也可能遭到跨膜浸透過來的氧氣影響，而處于生長受抑的狀態(tài)。假如外部運(yùn)用高電阻時(shí)，陽極電勢將會(huì)變低，以至只維持微小的電流程度。在那種狀況下，將只能選擇順應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物以及專性厭氧微生物，使對(duì)細(xì)菌品種的選擇的可能性被局限了。

MFC中的陽極電子傳送機(jī)制

電子向電極的傳送需求一個(gè)物理性的傳送系統(tǒng)以完成電池外部的電子轉(zhuǎn)移。這一目的既能夠經(jīng)過運(yùn)用可溶性的電子穿越體，也能夠經(jīng)過膜分離的電子穿越復(fù)合體。

氧化性的、膜分離的電子傳送被以為是經(jīng)過組成呼吸鏈的復(fù)合體完成的。已知細(xì)菌應(yīng)用這一通路的例子有Geobacter metallireducens 、嗜水氣單胞菌（Aeromonas hydrophila）以及Rhodoferax ferrireducens。決議一個(gè)組分能否能發(fā)揮相似電子門控通道的主要請(qǐng)求在于，它的原子空間構(gòu)造相位的易接近性（即物理上能與電子供體和受體發(fā)作互相作用）。門控的勢能與陽極的上下關(guān)系則將決議實(shí)踐上能否可以運(yùn)用這一門控（電子不能傳送給一個(gè)更復(fù)原的電極）。

MFCs中審定出的許多發(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。氫化酶可能直接參與了電子向電極的轉(zhuǎn)移過程。最近，這一關(guān)于電子傳送辦法的想象由McKinlay和Zeikus提出，但是它必需分離可挪動(dòng)的氧化穿越體。它們展現(xiàn)了氫化酶在復(fù)原細(xì)菌外表的中性紅的過程中扮演了某一角色。

細(xì)菌能夠運(yùn)用可溶性的組分將電子從一個(gè)細(xì)胞（內(nèi)）的化合物轉(zhuǎn)移到電極的外表，同時(shí)隨同著這一化合物的氧化。在很多研討中，都向反響器中添加氧化型中間體比方中性紅，勞氏紫（thionin）和甲基紫蘿堿（viologen）。經(jīng)歷標(biāo)明這些中間體的添加通常都是很關(guān)鍵的。但是，細(xì)菌也可以本人制造這些氧化中間體，經(jīng)過兩種途徑：經(jīng)過制造有機(jī)的、能夠被可逆的復(fù)原化合物（次級(jí)代謝物），和經(jīng)過制造能夠被氧化的代謝中間物（初級(jí)代謝物）。

第一種途徑表現(xiàn)在很多品種的細(xì)菌中，例如糜爛謝瓦納拉菌（Shewanella putrefaciens）以及銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）。近期的研討標(biāo)明這些微生物的代謝中間物影響著MFCs的性能，以至普遍干擾了胞外電子的傳送過程。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，能夠?qū)a(chǎn)生的電流單獨(dú)降低到原來的二非常之一。由一種細(xì)菌制造的氧化型代謝中間體也可以被其他品種的細(xì)菌在向電極傳送電子的過程中所應(yīng)用。

經(jīng)過第二種途徑細(xì)菌可以制造復(fù)原型的代謝中間體——但還是需求應(yīng)用初級(jí)代謝中間物——運(yùn)用代謝中間物如Ha或者HgS作為媒介。Schroder等應(yīng)用E.coli K12產(chǎn)生氫氣，并將浸泡在生物反響器中的由聚苯胺維護(hù)的鉑催化電極處停止再氧化。經(jīng)過這種辦法他們?nèi)〉昧烁哌_(dá)1.5mA/cm2（A，安培）的電流密度，這在之前是做不到。類似的，Straub和Schink發(fā)表了應(yīng)用Sulfurospirillum deleyianum將硫復(fù)原至硫化物，然后再由鐵重氧化為氧化水平更高的中間物。 評(píng)價(jià)MFCs性能的參數(shù)

運(yùn)用微生物燃料電池產(chǎn)生的功率大小依賴于生物和電化學(xué)這兩方面的過程。

底物轉(zhuǎn)化的速率

遭到如下要素的影響，包括細(xì)菌細(xì)胞的總量，反響器中混合和質(zhì)量傳送的現(xiàn)象，細(xì)菌的動(dòng)力學(xué)（p-max——細(xì)菌的種屬特異性最大生長速率，Ks——細(xì)菌關(guān)于底物的親和常數(shù)），生物量的有機(jī)負(fù)荷速率（每天每克生物量中的底物克數(shù)），質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)中的質(zhì)子跨膜效率，以及MFC的總電勢。

陽極的超極化

普通而言，丈量MFCs的開放電路電勢（OCP）的值從750mV~798mV。影響超極化的參數(shù)包括電極外表，電極的電化學(xué)性質(zhì)，電極電勢，電極動(dòng)力學(xué)以及MFC中電子傳送和電流的機(jī)制。

陰極的超極化

與在陽極觀測到的現(xiàn)象類似，陰極也具有顯著的電勢損失。為了糾正這一點(diǎn)，一些研討者們運(yùn)用了赤血鹽（hexacyanoferrate）溶液。但是，赤血鹽并不是被空氣中的氧氣完整重氧化的，所以應(yīng)該以為它是一個(gè)電子受體更甚于作為媒介。假如要到達(dá)可持續(xù)狀態(tài)，MFC陰極最好是開放性的陰極。

質(zhì)子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的性能

目前大局部的MFCs研討都運(yùn)用Nafion—質(zhì)子轉(zhuǎn)換膜（PEMs）。但是，Nafion—膜關(guān)于（生物）污染是很敏感的，例如銨。而目前最好的結(jié)果來自于運(yùn)用Ultrex陽離子交流膜。Liu等不用運(yùn)用膜，而轉(zhuǎn)用碳紙作為隔離物。固然這樣做顯著降低了MFC的內(nèi)在電阻，但是，在有陽極電解液組分存在的狀況下，這一類型的隔離物會(huì)刺激陰極電極的生長，并且關(guān)于陰極的催化劑具有毒性。而且目前尚沒有可信的，關(guān)于這些碳紙-陰極系統(tǒng)在一段時(shí)期而不是短短幾天內(nèi)的穩(wěn)定性方面的數(shù)據(jù)。

MFC的內(nèi)在電阻

這一參數(shù)既依賴于電極之間的電解液的電阻值，也決議于膜電阻的阻值（Nafion—具有最低的電阻）。關(guān)于最優(yōu)化的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，陽極和陰極需求盡可能的互相接近。固然質(zhì)子的遷移會(huì)顯著的影響與電阻相關(guān)的損失，但是充沛的混合將使這些損失最小化。

性能的相關(guān)數(shù)據(jù)

在均勻陽極外表的功率戰(zhàn)爭均MFC反響器容積單位的功率之間，存在著明顯的差別。表2提供了目前為止報(bào)道過的與MFCs相關(guān)的最重要的的結(jié)果。大局部的研討結(jié)果都以電極外表的mA/m以及mW/m2兩種方式表示功率輸出的值，是依據(jù)傳統(tǒng)的催化燃料電池的描繪格式衍生而來的。其中后一種格式關(guān)于描繪化學(xué)燃料電池而言可能曾經(jīng)是充沛的，但是MFCs與化學(xué)燃料電池具有實(shí)質(zhì)上的差別，由于它所運(yùn)用的催化劑（細(xì)菌）具有特殊的條件請(qǐng)求，并且占領(lǐng)了反響器中特定的體積，因而減少了其中的自在空間和孔隙的大小。每一個(gè)研討都參照了以下參數(shù)的特定的組合：包括反響器容積、質(zhì)子交流膜、電解液、有機(jī)負(fù)荷速率以及陽極外表。但僅從這一點(diǎn)動(dòng)身要對(duì)這些數(shù)據(jù)作出橫向比擬很艱難。從技術(shù)的角度來看，以陽極倉內(nèi)容積（液體）所產(chǎn)生的瓦特/立方米（Watts/m3）為單位的方式，作為反響器的性能比擬的一個(gè)基準(zhǔn)還是有協(xié)助的。這一單位使我們可以橫向比擬一切測試過的反響器，而且不只僅局限于已有的研討，還能夠拓展到其它已知的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。

此外，在反響器的庫侖效率和能量效率之間也存在著顯著的差別。庫侖效率是基于底物實(shí)踐傳送的電子的總量與理論上底物應(yīng)該傳送的電子的總量之間的比值來計(jì)算。能量效率也是電子傳送的能量的提示，并分離思索了電壓和電流。如表2中所見，MFC中的電流和功率之間的關(guān)系并非總是明白的。需求強(qiáng)調(diào)的是在特定電勢的條件下電子的傳送速率，以及操作參數(shù)，譬如電阻的調(diào)整。假如綜合思索這些參數(shù)的問題的話，必需要肯定是最大庫侖效率（如關(guān)于廢水處置）還是最大能量效率（如關(guān)于小型電池）才是最終目的。目前觀測到的電極外表功率輸出從mW/m2~w/m2都有散布。

優(yōu)化

生物優(yōu)化提示我們應(yīng)該選擇適宜的細(xì)菌組合，以及促使細(xì)菌順應(yīng)反響器內(nèi)優(yōu)化過的環(huán)境條件。固然對(duì)細(xì)菌種子的選擇將很大水平上決議細(xì)菌增殖的速率，但是它并不決議這一過程產(chǎn)生的最終構(gòu)造。運(yùn)用混合的厭氧-好氧型淤泥接種，并以葡萄糖作為營養(yǎng)源，能夠察看到經(jīng)過三個(gè)月的微生物順應(yīng)和選擇之后，細(xì)菌在將底物轉(zhuǎn)換為電流的速率上有7倍的增長。假如提供更大的陽極外表供細(xì)菌生長的話，增長會(huì)更快。

批處置系統(tǒng)使可以制造可溶性的氧化型中間體的微生物的積聚成為了可能。持續(xù)的系統(tǒng)性選擇能構(gòu)成生物被膜的品種，它們或者可以直接的生長在電極上，或者可以經(jīng)過生物被膜的基質(zhì)運(yùn)用可挪動(dòng)的穿越分子來傳送電子。

經(jīng)過向批次處置的陽極中參加可溶性的氧化中間體也能到達(dá)技術(shù)上的優(yōu)化：MFCs中參加氧化型代謝中間體可以持續(xù)的改善電子傳送。對(duì)這些代謝中間體的選擇到目前為止還僅僅是出于經(jīng)歷性的，而且通常只要低的中間體電勢，在數(shù)值約為300mV或者復(fù)原性更高的時(shí)分，才以為是值得思索的。應(yīng)該選擇那些具有足夠高的電勢的氧化中間體，才干夠使細(xì)菌關(guān)于電極而言具有足夠高的流通速率，同時(shí)還需參考是以高庫侖效率還是以高能量效率為主要目的。

一些研討工作者們曾經(jīng)開發(fā)了改良型的陽極資料，是經(jīng)過將化學(xué)催化劑浸透進(jìn)原始資料制成的。Park和Zeikus運(yùn)用錳修飾過的高嶺土電極，產(chǎn)生了高達(dá)788mW/m2的輸出功率。而增加陽極的特殊外表將招致產(chǎn)生更低的電流密度（因而反過來降低了活化超極化）和更多的生物薄膜外表。但是，這種辦法存在一個(gè)明顯的局限，微小的孔洞很容易被被細(xì)菌疾速梗塞。被切斷食物供給的細(xì)菌會(huì)死亡，因而在它溶解前反而降低了電極的活化外表?？傊档突罨瑯O化和內(nèi)源性電阻值將是影響功率輸出的最主要要素。

IVIFC：支柱性中心技術(shù)

污物驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用在于可以顯著的移除廢棄的底物。目前，運(yùn)用傳統(tǒng)的好氧處置時(shí)，氧化每千克碳水化合物就需求耗費(fèi)1 kWh的能量。例如，生活污水的處置每立方米需求耗費(fèi)0.5 kWh的能量，折算后在這一項(xiàng)上每人每年需求耗費(fèi)的能源約為30 kWh。為理解決這一問題，需求開發(fā)一些技術(shù)，特別是針對(duì)高強(qiáng)度的廢水。在這一范疇中常用的是Upflow Anaerobic Sludge Blanket反響器，它產(chǎn)生沼氣，特別是在處置濃縮的工業(yè)廢水時(shí)。UASB反響器通常以每立方米反響器每天10~20 kg化學(xué)需氧量的負(fù)荷速率處置高度可降解性的廢水，并且具有（帶有一個(gè)熄滅引擎作為轉(zhuǎn)換器）35%的總電力效率，意味著反響器功率輸出為0.5~1 kW/m3。它的效率主要決議于熄滅沼氣時(shí)損失的能量。將來假如開展了比現(xiàn)有的能更有效的氧化沼氣的化學(xué)染料電池的話，很可能可以取得更高的效率。

可以轉(zhuǎn)化具有積極市場價(jià)值的某種定性底物的電池，譬如葡萄糖，將以具有高能量效率作為首要目的。固然MFCs的功率密度與諸如甲醇驅(qū)動(dòng)的FCs相比是相當(dāng)?shù)偷?，但是關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)而言，以底物平安性為代表的多功用性是它的一個(gè)重要優(yōu)勢。

全面的看，作為一種參考，以高速率的厭氧消化手腕從生物量中重獲能量的資本支出約為裝置每百萬瓦消費(fèi)量破費(fèi)100萬瓦。后一數(shù)值也同樣適用于經(jīng)過傳統(tǒng)的熄滅途徑、風(fēng)力渦輪機(jī)以及化學(xué)染料電池等辦法應(yīng)用化石燃料產(chǎn)能。因而這一手腕也處于競爭之地。何況目前，微生物燃料電池尚未到達(dá)這一水準(zhǔn)的功率輸出。負(fù)荷速率為每天每立方米反響器0.1~10 kg的化學(xué)需氧量時(shí)，能夠以為實(shí)踐上能到達(dá)的功率輸出在0.01~1.25 kW/m3之間。但是，關(guān)于好氧的處置過程，察看到的生長速率為耗費(fèi)每克有機(jī)底物產(chǎn)生0.4克生物量生成，而關(guān)于厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的過程這一速率理論上僅為0.077?；贛FC過程的實(shí)質(zhì)，其產(chǎn)量應(yīng)該介于這兩種代謝類型之間。察看到的以葡萄糖飼喂的MFCs的生長速率在0.07~0.22之間。由于廢水處置設(shè)備中淤泥處置的破費(fèi)多達(dá)每噸干物質(zhì)500，這一數(shù)量的減少關(guān)于該過程的經(jīng)濟(jì)均衡具有重要的提表示義。

有效的設(shè)計(jì)和操作可以發(fā)明一種技術(shù)平臺(tái)，可以在多種范疇運(yùn)用而不需求停止實(shí)質(zhì)上的修正。除卻經(jīng)濟(jì)方面，MFCs曾經(jīng)展示了支柱性的中心技術(shù)的姿勢。它們在低的和適中的溫度下能有效的產(chǎn)生能量并轉(zhuǎn)化一系列的電子供體，以至即便電子供體僅以低濃度存在。在這些方面如今還沒有可以與之相媲美的其他已知技術(shù)。