林秀榕

(廣東省環(huán)境監(jiān)測中心，廣東廣州 510308)

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微生物燃料電池在環(huán)境監(jiān)測中的研究進(jìn)展

林秀榕

(廣東省環(huán)境監(jiān)測中心，廣東廣州 510308)

微生物燃料電池在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。概述微生物燃料電池應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的基本原理，對(duì)目前已有的微生物燃料電池型傳感器為監(jiān)測方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹，包括微生物燃料電池用于易降解碳源、有毒污染物及微生物數(shù)量檢測三方面的研究。最后探討了微生物燃料電池傳感器目前還未被廣泛應(yīng)用于實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測的原因，以期為未來研究開發(fā)高性能微生物燃料電池傳感器提供理論參考依據(jù)。

微生物燃料電池；環(huán)境監(jiān)測；生物傳感器；污染物

在我國現(xiàn)行的水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)中，生化需氧量(簡稱BOD)、重金屬、酚類、石油類物質(zhì)等是重要指標(biāo)。而現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法多采用化學(xué)分析方法，檢測步驟繁多，耗時(shí)較長，對(duì)人力的要求較高，且檢測結(jié)果無法反映毒性物質(zhì)對(duì)水質(zhì)的綜合影響[1]。 微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, 簡稱MFC)是以陽極微生物的厭氧呼吸為基礎(chǔ)，以陰極為唯一電子受體的電子傳遞過程，是一種利用微生物將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置[2]。在對(duì)其前期研究中，主要集中在產(chǎn)電微生物和結(jié)構(gòu)或電極材料的優(yōu)化研究以令其提高產(chǎn)電量[3-4]，以及將其應(yīng)用在廢水中處理有機(jī)物、重金屬或其他離子[5-7]，這些方面的改進(jìn)和應(yīng)用均能達(dá)到較好的效果。 近年來，學(xué)者對(duì)MFC在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行研究。研究成果顯示，MFC技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測方面具有實(shí)時(shí)、快速和綜合性等特點(diǎn)，可彌補(bǔ)化學(xué)分析方法的不足之處，具有巨大的應(yīng)用前景。筆者將對(duì)這類研究進(jìn)行概述，討論MFC在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用與潛在研究方向，以期對(duì)MFC在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用有較全面的概括。

1 微生物燃料電池應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的基本原理

典型的MFC由陽極區(qū)和陰極區(qū)構(gòu)成，中間用質(zhì)子交換膜或離子交換膜等間隔材料間隔開。厭氧微生物在陽極氧化有機(jī)物，將有機(jī)物降解為二氧化碳和氫離子并釋放出電子。釋放的電子通過某些細(xì)菌自身產(chǎn)生的中介體或某些細(xì)菌產(chǎn)生的導(dǎo)電附屬物傳導(dǎo)到達(dá)陽極后[8-10]，在電勢差的作用下通過外電路到達(dá)陰極；產(chǎn)生的氫離子在電池內(nèi)部透過離子交換膜到達(dá)陰極，在陰極上與電子受體(如氧氣、鐵氰化鉀等)以及電子結(jié)合生成水，從而完成了電子和質(zhì)子的回路。其原理圖如圖1所示。

陽極室有機(jī)底物種類或濃度的不同，使陽極微生物的響應(yīng)有所區(qū)別，MFC的輸出電流與電子供體的量之間存在一定關(guān)系，因此它可以用于底物含量的測定。如Zhang等的研究指出，當(dāng)以500 mg/L的吡啶和100、250及500 mg/L 3種不同濃度的葡萄糖作為MFC陽極的混合燃料時(shí)，最高輸出電壓呈現(xiàn)葡萄糖濃度越高則電壓越高的變化，對(duì)應(yīng)分別為349、538和623 mV[11]。微生物燃料電池在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，將陽極生物響應(yīng)電子供體變化帶來的物化變化轉(zhuǎn)換成可原位快速測得的電信號(hào)，把難以及時(shí)觀察到的污染物濃度變化用易觀察到的電流變化來表征，達(dá)到實(shí)時(shí)、原位、精確檢測污染物的目的。

根據(jù)MFC的原理，其在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用屬于生物傳感器的應(yīng)用。最早問世的生物傳感器是以酶作為生物元件，之后陸續(xù)出現(xiàn)以抗原抗體、植物或動(dòng)物的組織和神經(jīng)受體、細(xì)胞器和整個(gè)細(xì)胞作為生物原件的生物傳感器[12]。MFC是將活體微生物作為生物元件的生物傳感器，與傳統(tǒng)的酶傳感器相比，MFC具有重復(fù)使用，壽命長，成本低等優(yōu)點(diǎn)；此外，活體微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力比酶強(qiáng)，不需要嚴(yán)格的pH與溫度控制，操作難度小[13]。然而由于其信號(hào)輸出是由微生物的新陳代謝控制，響應(yīng)時(shí)間較長，通常需要5～600 min[14]。因此，MFC傳感器具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，將MFC用作環(huán)境監(jiān)測傳感器有待進(jìn)一步研究。

2 微生物燃料電池在環(huán)境監(jiān)測方向的研究

2.1 微生物燃料電池用于易降解碳源監(jiān)測的研究現(xiàn)有大部分MFC傳感器的研究是針對(duì)其有機(jī)碳源的濃度感應(yīng)，已涉及的易降解有機(jī)碳源包括葡萄糖、乳酸、乙酸、甲酸、谷氨酸、以及水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)中要求的BOD值。 易降解有機(jī)碳源與電化學(xué)活性細(xì)菌的新陳代謝速率在一定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好相關(guān)性，而電活性細(xì)菌的新陳代謝速率與輸出電流的大小直接相關(guān)。目前已有的對(duì)單一易降解有機(jī)碳源的MFC傳感器研究表明，MFC對(duì)葡萄糖的測量范圍較廣，為0～30 g/L[14-16]；對(duì)乙酸的測量范圍為0～1.9 g/L[17]；用希瓦氏菌構(gòu)建MFC對(duì)乳酸的測量范圍為0～41 mmol/L[18]。

利用MFC傳感器對(duì)實(shí)際廢水的BOD值進(jìn)行測定方面的研究，早在1977年，Karube等將丁酸梭菌用凝膠固定于鉑電極的表面，構(gòu)建MFC型的BOD生物傳感器，利用該傳感器對(duì)食品廠、酒精廠和屠宰場的廢水BOD進(jìn)行測定，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)[19]。自2002年無介體MFC被發(fā)明以來，學(xué)者們開始構(gòu)建無介體型的MFC傳感器，對(duì)BOD進(jìn)行測定。例如Chang等從活性污泥中富集電化學(xué)活性微生物，用葡萄糖和谷氨酸配成人工廢水作為陽極燃料構(gòu)建MFC傳感器，對(duì)BOD的測量范圍為20～100 mg/L，測量誤差<10%[20]。Kim等從厭氧活性污泥中富集電化學(xué)活性微生物，以污水作為陽極燃料構(gòu)建MFC傳感器，這一傳感器對(duì)BOD的測量范圍為20～206 mg/L[14]；隨后，他們又將MFC傳感器應(yīng)用于污水處理廠檢驗(yàn)其原位監(jiān)測的能力，結(jié)果表明，樣品的BOD值可在45 min內(nèi)被準(zhǔn)確地測定[21]。Hsieh等用已知菌屬的6種細(xì)菌混合接種到MFC中，構(gòu)建的反應(yīng)器能準(zhǔn)確測定BOD濃度<240 mg/L的實(shí)際廢水[22]。

此外，由于上述大部分MFC傳感器主要用于測定高BOD濃度的廢水，且常溫微生物組成的MFC傳感器不耐高溫，且容易受到酸堿毒物的影響。這兩個(gè)問題分別有研究團(tuán)隊(duì)提供解決方案，Kang等同樣通過富集貧營養(yǎng)微生物的方法令MFC傳感器能準(zhǔn)確檢測BOD為0.5 mg/L的樣品[23]，日本學(xué)者用嗜熱菌組成的MFC傳感器能在65 ℃高溫及化學(xué)試劑毒性作用的情況下，對(duì)BOD進(jìn)行準(zhǔn)確測定[12]。運(yùn)用相同原理構(gòu)建微型的MFC血糖濃度檢測儀是MFC在監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)延伸[24]。 MFC型的BOD生物傳感器研究已較為成熟，并已成功將其市場化，例如韓國科學(xué)技術(shù)研究院研制的HABS-2000和HABS-2001。然而在MFC傳感器的穩(wěn)定性、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間上，仍然需要不斷進(jìn)行研究加以改進(jìn)。

2.2 微生物燃料電池用于有毒污染物監(jiān)測的研究有毒污染物如酚類物質(zhì)、重金屬離子等也是我國現(xiàn)行水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的重要指標(biāo)。當(dāng)MFC檢測有毒物質(zhì)時(shí)，原理與檢測易降解碳源污染物略有不同，MFC在這里利用的是污染物對(duì)微生物細(xì)胞呼吸作用的非特異性抑制。有毒污染物進(jìn)入MFC后，電化學(xué)活性菌的代謝受到有毒物質(zhì)的抑制，導(dǎo)致輸出電流降低，有毒物質(zhì)毒性越大，電流降低幅度越大，根據(jù)有毒物質(zhì)與電流降低幅度之間的關(guān)系構(gòu)建毒物監(jiān)測系統(tǒng)[25]。

Kim等研發(fā)的MFC傳感器能夠檢測到0.04 mg/L的六價(jià)鉻離子、0.03 mg/L的汞、0.04 mg/L的鉛離子以及0.04 mg/L的苯[25]。該團(tuán)隊(duì)在后續(xù)研究中構(gòu)建了一個(gè)新MFC傳感器[26]，可以監(jiān)測有機(jī)磷化合物、鉛、汞和多氯聯(lián)苯等，濃度為1 mg/L的這4種物質(zhì)對(duì)電流輸出的抑制率分別為61%、46%、28%和38%，該系統(tǒng)還被試驗(yàn)用于現(xiàn)場在線監(jiān)控。此外，Davila等成功研制了一種硅膠制成的微型MFC毒物傳感器[27]。Shen等通過對(duì)陽極生物膜曝氮?dú)?，提高了MFC傳感器對(duì)銅離子的靈敏度[28]。

該類的MFC傳感器目前也走向商業(yè)化，韓國生物工程系統(tǒng)公司開發(fā)HATOX-2000生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)用于水質(zhì)綜合毒性監(jiān)測。由于電池電流的下降與有毒物質(zhì)濃度間還沒有很好的定量關(guān)系，目前還沒有研究表明這類對(duì)有毒物質(zhì)的MFC傳感器能起到定量測定的作用，只能做定性的毒物超標(biāo)判定，因此該類MFC傳感器一般只被用于原位快速在線檢測和定性預(yù)警。

2.3 微生物燃料電池用于微生物數(shù)量監(jiān)測的研究在我國現(xiàn)行水質(zhì)指標(biāo)中，大腸桿菌的數(shù)量是其中一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，在食品評(píng)價(jià)行業(yè)，也是必要考核指標(biāo)?，F(xiàn)行的細(xì)菌數(shù)量檢測方法如存在平板計(jì)數(shù)法、干重法均存在操作較為繁瑣、測定時(shí)間較長等問題，快速簡便的計(jì)數(shù)方法成為微生物檢測發(fā)展需求?；诖?，有學(xué)者進(jìn)行了MFC應(yīng)用于微生物數(shù)量檢測的試驗(yàn)研究。應(yīng)用MFC于微生物數(shù)量檢測的原理：在陽極有機(jī)物量相同的情況下，當(dāng)微生物數(shù)量越多時(shí)，其分解有機(jī)物的速率越快，導(dǎo)致電流值越高，因此電流值與微生物數(shù)量可以對(duì)應(yīng)起來。Patchett等設(shè)計(jì)了可以測定下限為105個(gè)/ml的傳感器，且測定速度極快，5 min內(nèi)可測定完畢[29]。盧智遠(yuǎn)等設(shè)計(jì)了一種能在10 min內(nèi)測定奶制品細(xì)菌濃度的傳感器，檢測的范圍較寬，為103～1012個(gè)/ml，且準(zhǔn)確率高，與平板計(jì)數(shù)法試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照可得，兩種方法測得的數(shù)目一致[30]。 但由于微生物處于不同生長期，代謝活性會(huì)存異，因此會(huì)對(duì)測定的準(zhǔn)確性有影響，故該技術(shù)還需要制定相應(yīng)的測定標(biāo)準(zhǔn)加以完善，目前暫時(shí)未有測菌數(shù)方面的商業(yè)化應(yīng)用。

3 存在的問題

3.1 MFC性能的提高M(jìn)FC靈敏性是其應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的一個(gè)關(guān)鍵問題。MCF的產(chǎn)電性能直接影響其監(jiān)測靈敏性，影響MFC產(chǎn)電性能的因素包括：①陰陽極室中發(fā)生氧化還原反應(yīng)的能量動(dòng)力學(xué)限制；②由電池內(nèi)電解液、間隔材料、電極等引起的歐姆電阻局限；③有機(jī)物和細(xì)菌間的物質(zhì)傳遞速率以及細(xì)菌和電極間的電子傳遞速率局限[31]。因此目前針對(duì)克服這些局限以提高M(jìn)FC性能的研究主要分為以下3個(gè)方向:

(1)生物方向：產(chǎn)電微生物是MFC的核心，研究其生理生化特性、生態(tài)特性及電子傳遞特征，闡述MFC的基本產(chǎn)電機(jī)理，對(duì)優(yōu)化電池性能具有根本性的指導(dǎo)意義[32]。

(2)化學(xué)方向：當(dāng)MFC從實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模運(yùn)行走向?qū)嶋H應(yīng)用時(shí)，需要擴(kuò)大其規(guī)模和容量，在此過程中將面臨MFC造價(jià)競爭力不足的問題[2]。新型電極材料和新型膜材料的使用，旨在提高產(chǎn)電性能的同時(shí)降低建造電池的成本，這也是新材料設(shè)計(jì)的根本考慮因素[33]。

(3)物理方向： MFC在物理方向的研究主要在于改進(jìn)電池的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式以提高其性能，以突破現(xiàn)有的輸出電壓限制，令電池走向大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用時(shí)，能達(dá)到最好的產(chǎn)電狀態(tài)[34]。

3.2 混合污染物檢測面臨的難題在實(shí)際廢水中，既存在著各種易降解有機(jī)物，也存在著各種有毒污染物，兩類污染物對(duì)MFC的輸出電壓作用是相反的，兩者作用會(huì)被相互抵消，因此電流的變化甚至無法對(duì)何種污染物的存在進(jìn)行定性說明。 Stein等采用BVM模型來計(jì)算MFC傳感器的輸出數(shù)據(jù)，該模型的不同參數(shù)變化可以指示出是哪種毒物的濃度在發(fā)生變化[35]。但該模型也只是適用于有限的幾種有毒污染物，對(duì)于成分復(fù)雜的實(shí)際廢水來說，還需要進(jìn)行長期的試驗(yàn)和驗(yàn)證，以期在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)MFC在實(shí)際環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。

4 展望

MFC技術(shù)由于其低能耗、易維護(hù)、穩(wěn)定性佳等特點(diǎn)，在環(huán)境方面的應(yīng)用具有巨大的前景，其中包括了環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。目前，基于MFC技術(shù)，已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域開展了一些研究，開發(fā)了各種用途的MFC型生物傳感器，然而由于存在著不少問題，大部分還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。在接下來的研究當(dāng)中，建議在以下方面進(jìn)行重點(diǎn)探索：①通過對(duì)新材料的制備、對(duì)產(chǎn)電微生物機(jī)理的深入研究，選用合適的材料與陽極產(chǎn)電微生物來提高M(jìn)FC傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度；②加強(qiáng)對(duì)MFC傳感器輸出數(shù)據(jù)規(guī)律的研究，通過建立模型的方法來表征MFC用于實(shí)際污水檢測時(shí)各污染要素的區(qū)分。隨著對(duì)MFC技術(shù)的更深入研究，相信開發(fā)出響應(yīng)快、靈敏度好的MFC型傳感器指日可待。

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Research Advance of Microbial Fuel Cells Using in the Field of Environmental Monitoring

LIN Xiu-rong

(Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou, Guangdong 510308)

Microbial fuel cells have great utilization potentiality in the field of environmental monitoring. The principle of using microbial fuel cells in the environmental monitoring was overviewed, microbial fuel cells which were used to monitor degradable organics, toxic pollutants, and microbial population. Reasons of few applications of microbial fuel cell biosensors for actual wastewater were discussed. The review will help the development of high performance of MFC-based biosensors.

Microbial fuel cell; Environmental monitoring; Biosensor; Pollutant

廣東省省長青年人才基金項(xiàng)目。

林秀榕(1985-)，女，福建泉州人，博士，從事水體綜合生物毒性及預(yù)警研究。

2014-12-19

S 181.3

A

0517-6611(2015)04-227-03