蘇圣媛，王小雨，周丹丹

(東北師范大學環(huán)境學院，長春 130117)

1 前 言

微生物燃料電池是一種通過陽極上生物膜作為催化劑去降解有機物，并使存儲在內部的化學能轉化成電能的一種裝置。微生物燃料電池在生產電力的同時去除廢水中污染物，被認為是新型污水處理工藝和新型綠色發(fā)電技術，具有效率高，能耗低，清潔環(huán)保的優(yōu)點[1]。

典型的微生物燃料電池是由陽極室和通過交換膜隔開的陰極室組成的雙室系統(tǒng)裝置。氧氣滲入陽極室內會阻礙產電，因此在兩電極間放置一個交換膜可形成兩個分開的極室，既可以將氧氣與細菌分開，又不影響質子的傳遞，并且兩極由電阻作為負載相互連接。微生物燃料電池中需采用電化學活性細菌，大多數(shù)細菌能將化學能轉化為細胞內電子，但只有電化學活性細菌具有將細胞內電子轉移到細胞外電極的特異性途徑，它們以固態(tài)電極作為電子受體進行呼吸產能，既胞外呼吸[2]。目前文獻報道的純種產電微生物已有50余種，研究較多的是厚壁菌門和變形菌門的細菌，多為兼性厭氧菌[3]。如Geobacter[4]，Shewanella[5]和Pseudomonas[6]，通過在代謝過程中氧化底物促進能量轉換，并將釋放的電子轉移到外部電路。

目前微生物燃料電池作為一種先進的處理污染物的技術，已有國內外學者對微生物燃料電池處理廢水中有機物的能力及產電性能的大小有所研究并進行綜述。但廢水中同樣含有多種金屬離子，金屬離子可以對微生物燃料電池中微生物活性產生促進作用，或者轉化為潛在的有毒和致癌化合物[7]，跨越食物鏈的營養(yǎng)級別，最終在生物體內的進行累積，從而影響了發(fā)電情況。本文針對雙室微生物燃料電池的陽極室，重點綜述了金屬離子對產電性能影響，并分析了產電的影響機制，最后就前文綜述的內容總結了如何提高產電性能，并展望今后可以實現(xiàn)金屬廢水和有機污染物同時處理的實際應用。

2 陽極室中金屬離子對微生物燃料電池產電性能的影響

金屬離子通常表現(xiàn)出對細菌的復雜作用，將影響微生物燃料電池的產電性能，分為刺激影響及抑制影響兩部分。

2.1 金屬離子對產電性能的刺激影響

在微生物燃料電池中，對于金屬離子對細胞外電子轉移的作用而影響了微生物燃料電池產電性能等方面研究較少，僅有較少幾篇文獻報道。Wu等人[8]以ShewanellaoneidensisMR-1為陽極微生物，研究表明加入6 mM濃度的Fe3+時的最大功率密度為158.1 mW/m2，是無Fe3+對照時的2.2倍(73.9 mW/m2)，F(xiàn)e3+的加入能縮短啟動時間，并且游離細菌及陽極生物膜量也明顯增加。之后換成無Fe3+的培養(yǎng)基時，游離細菌及陽極生物膜量仍然比空白時的數(shù)值要高，且電壓也沒有明顯的下降，分析Fe3+附著在了陽極上，改善了電池的產電性能。Wang等人[9]研究單室微生物燃料電池，加入1 mg/L銅離子馴化時，電壓穩(wěn)定上升至0.6 V，COD去除效率較高。Yamashita等人[10]研究鎂離子對微生物燃料電池陽極微生物產電性能的影響，隨著鎂離子濃度從0.5 mM增加到2.0 mM，進一步增加到5.0 mM，微生物燃料電池的陽極電壓與對照試驗中的0.417 V相比，分別增加到0.443 V、0.469 V和0.477 V，功率密度從36.65 mW/m2增加到40.19 mW/m2、44.21 mW/m2和45.48 mW/m2。此外，電化學活性和電生物量顯著增加，表明鎂可以提高微生物燃料電池的功率輸出。近兩年來有學者將注意力放在了痕量金屬上，Xu等人[11]將ShewanellaoneidensisMR-1接種在陽極上，研究了痕量金屬離子對微生物燃料電池的影響，在陽極添加了Cu2+(0.1 μg/L～0.1 mg/L)或Cd2+(0.1 μg/L～1 mg/L)，研究表明添加Cu2+或Cd2+有效地改善了電極中的核黃素生成和細菌附著，增強了微生物燃料電池中細菌的細胞外電子轉移。

這些結果表明，當金屬離子存在陽極室時，適當濃度的金屬離子添加將是提高微生物燃料電池性能的有效途徑。并且目前大部分學者都將重點放在高濃度金屬離子廢水的處理研究上，而忽略了痕量金屬廢水帶來的長期危害。從Xu所研究的內容上分析，今后可以將重點放在利用微生物燃料電池處理痕量金屬離子廢水方面。

2.2 金屬離子對產電性能的抑制影響

早在2007年有學者開始研究金屬離子對微生物的毒性作用，Kim等人[12]研究向微生物燃料電池中加入有毒物質(有機磷化合物，鉛，汞和多氯聯(lián)苯)，并觀察到電流下降情況。與對照相比，這些有毒物質的流入引起的抑制率分別為61%，46%，28%和38%。將使用來自當?shù)匚鬯幚韽S的實際廢水時，在引入有毒物質之后觀察到電流顯著的減少并且觀察到比實驗室測試中更高的抑制率。Catal等人[13]在單室空氣陰極微生物燃料電池中證明微生物對Cd2+的最大可耐受濃度為200 μM，Zn2+為400 μM。將Cd2+濃度提高到300 μM，將Zn2+增加到500 μM，導致電壓下降了71%和74%。Cd2+的加入導致庫倫效率從34%降至18%。，加入500 μM的Zn2+導致庫倫效率從34%降低至4%。Ding等人[14]用硫酸鹽還原法研究了金屬離子(Cu2+，Zn2+，Ni2+和Cr6+)對微生物燃料電池產電性能的影響。加入重金屬離子后，電壓由180.9 mV降至37.4 mV。COD去除率由64.2%逐漸降為7.2%。停止添加金屬離子，電壓逐漸升到400 mV，最大功率密度達222 mW/m2(55.56 W/m3)，COD去除率逐漸上升至58.3%。說明金屬離子對硫酸鹽還原菌活性具有抑制作用。Yu等人[15]在2017年研究顯示，不同濃度Cu2+對陽極微生物呼吸產生抑制作用，發(fā)現(xiàn)隨著Cu2+濃度的增加，抑制作用更強。在含有1、2和4 mg/L Cu2+的樣品中，電壓抑制率分別為7.9%，12.56%和18.48%。對于2 mg/L的Cu2+，Hg2+，Zn2+，Cd2+，Pb2+，Cr3+電壓抑制率分別為12.56%，13.99%，8.81%，9.29%，5.59%和1.95%。根據(jù)2 mg/L重金屬離子的致死值，毒性順序為Hg2+> Cu2+> Cd2+> Zn2+>Pb2+>Cr3+。目前最新研究進展顯示由Gai等人[16]研究了重金屬離子對陽極電壓輸出的影響。結果表明，含低濃度Cu2+和Ni2+的陽極電解液可改善產電性能，但當濃度升高時，電壓輸出下降，Cu2+的最小毒性濃度為303 μM，Ni2+是600 μM。一旦加入Cd2+和Hg2+微生物燃料電池中，電壓輸出就會下降。

因此，廢水中過量的金屬離子濃度會抑制細胞活性，阻止生物發(fā)電。但從以上分析，也因此可以通過監(jiān)測微生物燃料電池的電壓或電流的變化來監(jiān)測含有毒素的流入水。

3 陽極室中金屬離子對微生物燃料電池產電性能的影響機制

電子轉移的過程由位于微生物細胞外膜或微生物細胞分泌的氧化還原劑催化而發(fā)生。這些氧化還原劑利用電子給體和電子受體之間的能量差異，在細胞膜上形成了離子梯度。這種梯度有助于ATP的合成，因此將電勢差轉化為化學能。

3.1 金屬離子刺激產電性能的機制

通過對以上文獻的綜述，總結出金屬離子刺激微生物燃料電池產電性能提高的機理，概括成以下兩方面。

3.1.1 金屬離子刺激核黃素的生成

胞外電子轉移效率被認為是決定微生物燃料電池性能的限制性參數(shù)[17]。迄今為止，已經為電化學活性細菌確定了兩種胞外電子轉移途徑，即通過外膜氧化還原活性蛋白(例如細胞色素c)或納米導線的直接電子轉移以及由外源或內源電子穿梭介導的間接電子轉移(例如核黃素)[18]。例如Shewanellasp.[19]和Bacillussp.[20]通常使用直接利用細胞色素c進行胞外電子轉移和通過核黃素電子穿梭介導的間接胞外電子轉移。并且已有學者利用這兩種菌種進行混合，制成聚合體，以互相促進生成更大量的核黃素，進而提高微生物燃料電池的產電性能[21]。金屬離子例如Cu2+和Cd2+通常用作誘導劑來改善植物，真菌或細菌產生核黃素[22]。因此在含金屬的環(huán)境中，金屬離子可誘導細菌增強核黃素的生成。由于核黃素是介導細菌和電極之間的間接胞外電子轉移的主要內源電子穿梭物，所以金屬離子的加入可改善增強細菌的胞外電子轉移，進而改善微生物燃料電池的產電性能。

3.1.2 金屬離子增強細菌在電極上的附著

細菌在微生物燃料電池中以生物膜的形態(tài)附著于電極上，而細菌在含有金屬離子的環(huán)境中生長時，為抵御金屬離子威脅，細菌會分泌大量的胞外聚合物來保護自身[23]。Güng?r等人[24]研究Cu2+脅迫722 h下Desulfovibriosp.生物膜形成影響的研究，并對樣品進行幾次表征分析，通過掃描電子顯微鏡可以觀察到Cu2+脅迫下的生物膜的表面變化，通過EDS能譜可以觀察到有銅離子吸收峰的出現(xiàn)。Claire等人[25]的實驗也證明100 μg/L的鎳存在時，提高了生物被膜形成量，長時間暴露在低濃度鎳下使膜增厚。由于curli基因和csg基因的表達有助于生物膜的形成[26-27]。所以金屬離子的加入將curli基因轉錄激活，激活csg基因的表達，最終促進了微生物燃料電池中細菌分泌大量胞外聚合物，由于胞外聚合物為粘性高分子聚合物，具有粘附性[28]。所以金屬離子的加入增強了細菌在電極上的附著，從而增強了微生物燃料電池的產電性能。

3.2 金屬離子抑制產電性能的機制

金屬離子通過與含硫的酶(如半胱氨酸，胱氨酸和甲硫氨酸)上的氨基酸殘基形成穩(wěn)定的復合物而引起毒性，使得酶變性并使酶失活[29]。酶是生物催化劑，產電是微生物的呼吸作用，所以金屬離子對微生物呼吸的抑制可以看作是對酶活性的抑制，這在酶合成過程中，酶反應階段和與活性酶或其它相關部分的傳遞中發(fā)生。如果酶活性被抑制，所有鏈都會在降解或代謝反應中癱瘓，導致細胞活性被完全抑制，甚至細胞最終死亡[30-31]。Shah等人[32]研究多種金屬離子對AspergillusnigerKIBGE-IB36胞外蛋白酶活性的影響，研究表明Cs+，Mn2+，Cu2+，Ni2+，V2+，Co2+，Hg2+和Al3+表現(xiàn)為蛋白酶抑制劑。同樣的研究Chen等人[33]發(fā)現(xiàn)重金屬離子(Hg2+，A+，Bi2+，Cu2+和Zn2+)抑制酶。通過建立動力學模型，發(fā)現(xiàn)Cu2+和Hg2+對酶的抑制作用是非競爭性的。抑制常數(shù)已經確定，Hg2+的抑制作用強于Cu2+。這與前文綜述的重金屬離子的毒性順序相符。同樣也有人證明了Cu2+、Ca2+和Zn2+對酶的活性的影響，其中Cu2+對酶活性的抑制最顯著[34]。以上原因分析是金屬離子與酶底物的催化位點形成配位鍵并相互作用，金屬離子濃度增加，對酶的活性抑制性越強。因此，當微生物燃料電池中被注射有毒物質時，由于微生物酶活的降低導致呼吸活動的抑制，相應的電壓或電流將下降。

4 提高微生物燃料電池產電性能

提高微生物燃料電池的輸出功率一直是眾多學者所研究的內容，可以通過開發(fā)有效產電細菌及改進生物膜的結構去提高微生物燃料電池的輸出功率?；蛘呖梢岳媒饘匐x子作為材料修飾電極，提高微生物燃料電池的輸出功率。

4.1 提高產電微生物的活性

電極表面的微生物群落和生物膜形成對系統(tǒng)的性能有顯著的影響。電化學活性細菌生物膜形成受陽極材料，溫度，pH值和環(huán)境條件的影響[35]。因此，高功率輸出的一個辦法是在陽極表面上富集有效的電化學活性細菌并改變環(huán)境條件，優(yōu)化細菌活性以及與電極之間的電子轉移[36]。Zhao等人[37]通過將Shewanellaoneidensis插入到作為微生物燃料電池的陽極石墨烯-碳納米管網絡中來制造雜化電化學活性生物膜。這種新穎的方法增強了Shewanellaoneidensis和電極之間的直接細胞外電子轉移。Narcís等人[38]通過使用循環(huán)伏安法(CV)和差分脈沖伏安法(DPV)研究了電活性生物膜內Geobactersp.的細胞外電子轉移機理。研究表明，生物膜內的電活性細菌可以使用乙酸鹽氧化和硝酸鹽還原的方法催化陽極和陰極反應。Chen等人[39]研究原位形成的金納米顆粒對Geobactersulfurreducens生物膜產電的影響。將20 ppm NaAuCl4緩慢滴入陽極室中，Au3+轉化為Au-NPs，然后通過生物礦化在生物膜中沉淀。陽極的電流密度增加了40%。這可能是由于原位形成的導電金納米顆粒促進了胞外單子轉移，增加了基底消耗。改善產電微生物的活性從酶活層面上改善將更有利于提高活性，前文提到Bacillussubtilis為強大核黃素生產者之一，而Shewanellaoneidensis的核黃素生產量卻不如Bacillussubtilis。Yang等人[40]將來自Bacillussubtilis的合成核黃素的途徑在ShewanellaoneidensisMR-1中異源表達，導致分泌的核黃素濃度增加約25.7倍。結果使MR-1的雙向胞外電子傳遞速率增加，微生物燃料電池中的最大功率輸出增加了13.2倍。

提高產電微生物的活性另一種方法是改進生物膜的結構。生物膜形成對電子轉移和生物電極活性至關重要。然而，生物膜并不是越厚越好，厚的反而沉積阻礙了電子流通。早在2006年Reguera[41]發(fā)現(xiàn)，具有50 μm厚度的Geobactersulfurreducens的生物膜可以產生納米導線并且不會降低當前的產量。因此，生物膜厚度的選擇對于實現(xiàn)顯著的功率輸出是重要的[36]。Clauwaert認為[42]，具有高比表面積的開放的“珊瑚狀”生物膜結構可能會提供更多的電活性物質。此外，致密的生物膜可以縮短電子傳遞距離以提高電子轉移效率。沈偉航等人[43]采用基于外界連續(xù)恒壓和恒流電化學選擇壓力的方法，加速并實現(xiàn)微生物燃料電池陽極電化學活性菌的篩選和富集過程，結果表明，恒壓預制效果優(yōu)于恒流，預制陽極對應的微生物燃料電池在60 min內可產生高于對照組1.42倍的輸出電壓(0.54 V)和高于對照組1.79倍的功率密度(163.07 mW/m2)。

4.2 利用金屬離子對電極進行修飾

前文綜述一定濃度的金屬離子的添加可以促進微生物為燃料電池的產電，利用它們的高導電性，金屬離子也可以作為材料去修飾電極，提高產電性能。學者們對金屬鹽與金屬氧化物修飾陽極從而提高產電量進行了大量的研究，早在2006年Lowy等[44]研究了以Mn/Ni聯(lián)合修飾，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)e3O4/Ni聯(lián)合修飾的石墨板電極，結果表明，電流密度是未修飾的1.5～2.2倍。Lv等[45]用RuO2修飾陽極，最高功率密度達到3 080 mW/m2，是未修飾陽極的17倍。Yamashita等人[46]研究多種金屬電極的產電性能。篩選測試顯示鉬、鎢、鐵和錫是有用的微生物燃料電池陽極材料，其中鉬陽極為一種高性能電極，在微生物燃料電池中具有結構簡單和長期穩(wěn)定性。目前近幾年已有學者利用金屬氧化物納米材料進行修飾電極，王玲等人[47]利用納米鐵氧化物修飾陽極，結果表明納米鐵氧化物修飾陽極的電流密度比普通碳紙電極提高了71%。Nurbakhsh等人[48]制備了LaMnO3鈣鈦礦型氧化物納米粒子和氧化鎳/碳納米管/聚苯胺(NCP)納米復合物(分別為陰極和陽極催化劑)并用于提高微生物燃料電池的功率密度，研究表明具有改性電極的微生物燃料電池在功率密度輸出上增加了11倍，以上這些結果表明，普通電極被修飾后由于可接近的表面積大，增強的基質擴散速率和細菌細胞的粘附率，促進了產電菌進行直接胞外電子傳遞，從而增加了輸出功率。

5 結語與展望

通過金屬離子對微生物燃料電池產電性能的影響可以發(fā)現(xiàn)，陽極室加入適當濃度的金屬離子，由于金屬離子刺激核黃素的生成并刺激了微生物對電極的附著，促進了微生物燃料電池的產電性能，可以利用此特性處理被忽略的痕量金屬廢水。但是在陽極室加入濃度較高的金屬離子時，由于對酶活性的抑制，將抑制產電性能。但因此利用這個特性，可以監(jiān)視含有毒素的流入水。

金屬離子在微生物燃料電池中的添加印證了其在廢水處理方面將具有前景。微生物燃料電池研究已經在實驗室規(guī)模進行，技術方面仍然對實際廢水的處理和資源回收應用具有深遠的限制。并且需要進一步的研究工作，通過開發(fā)更有效的產電微生物改進生物膜結構，或者利用重金屬材料修飾電極，提高微生物燃料電池的產電性能，并且更深入的去了解相關機制才能在今后提高微生物燃料電池的能源產出并實現(xiàn)可持續(xù)的金屬廢水和有機污染物同時處理的實際應用。