微生物燃料电池生物阴极去铬优势菌种的筛选文献综述

文 献 综 述

1.1研究背景

能源是人类生活和社会经济发展的物质基础，是国家发展的强有力的保障，开发和利用能源资源始终贯穿于社会文明发展的整个过程。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。20世纪50年代以后石油危机的爆发，对世界经济造成巨大的影响。尤其是进入21世纪之后，由于社会经济的发展需要，使得能源的供给与需求之间的矛盾越来越突出。^[1]为了缓解能源需求的紧张，顺应可持续发展，兼顾经济发展和环境保护，迫使人们改变能源消费结构，寻求新型的可再生资源。不仅是因为煤、石油、天然气等化石燃料日益减少，而且这些化石燃料的长期使用，会造成全球性的环境问题，如臭氧层破坏、温室效应和气候变暖、大气污染和酸雨、生物多样性减少、放射性物质污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等，尤其是全球气候变化、酸雨和大气污染、海洋污染和海洋生态系统的破坏等重大环境问题，严重威胁着人类的健康。可再生能源不存在能源耗竭的可能，因此日益受到许多国家的重视，目前各国科研人员正积极地投入研究。^[2]

1.2 微生物燃料电池

微生物燃料电池是利用微生物的催化作用，将废弃物中化学能直接转化为清洁电能的技术，具有原料来源广泛、操作条件温和、生物相容性好、理论转化效率高等特点。因此，该技术环境友好，可将废水资源化和能源化，具有很好的环境和经济效益。正在兴起的微生物燃料电池技术为可再生能源生产和污染修复提供了一条新途径，实现污染修复与清洁能源生产双赢，具有广泛的发展前景。^[3]

1.2.1 微生物燃料电池的工作原理

在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。^[4]

1.3微生物燃料电池生物阴极

生物阴极是指阴极室中的功能微生物附着在电极表面形成生物膜，电子由电极传递给微生物并发生相应的生物电化学反应，是微生物燃料电池研究的一个重要方向。与

化学阴极想比，生物阴极具有以下特点：（1）不需要添加化学催化剂或人工媒介体，降低了微生物燃料电池的构建成本；（2）不存在化学催化剂失活现象，可提高MFC的长期稳定性；（3）在阴极室生长的微生物也可处理废水，生成有工业价值的产品，实现资源的综合利用。^[3-7]

1.3.1生物阴极微生物

废水中微生物能够附着于电极材料上形成具有电化学活性的生物膜，它们是产电与处理污染物的关键，因此，研究阴极微生物的功能对阐述污染物转化机制、解释。电子传递机理、提高生物阴极性能具有重要意义。^[18-9]电极的电势如果足够低低，则电极上的电子会通过产生氢气或其它的电子载体间接地传递给微生物，然而有些微生物还可以直接从电极表面获得电子。在阴极中，可能的的电子受体有氧气和质子。在阴极表面附着生长的生物膜能促进氧气的还原，然而还没有证据表明该过程为微生物利用电极电子进行还原氧气，可能还存在其他的机制牵涉其中。还原质子产氢代表了一个潜在的能源产生途径，利用处于低电势的电极能富集出产氢能力更高的微生物，表明该途径能选择到质子还原菌。此外，一氧化碳能抑制产氢表明氢化酶主要参与产氢过程。生物阴极研究中所报道的微生物种类丰富，其中75%的已知微生物属于变形菌门，此外还有大量的混合微生物没有得到鉴定。生物阴极微生物种群与电极材料、电子受体之间没有一一对应关系。某些微生物则在处理不同污染物的生物阴极上均有发现。^[10-12]

1.3.2生物阴极的分类

根据电极反应对氧气的需求可以将生物阴极分为两种类型：（1）好氧生物阴极，如电极表面微生物还原氧气生成水；（2）厌氧生物阴极，比如，厌氧条件下微生物以硝酸盐等作为最终电子接受体将其还^[13]

1.3.3应用前景

微生物燃料电池生物阴极是一个生物电化学系统，在微生物和电势的作用下，生物阴极可实现很多难降解／处理污染物（如合成染料、含氯有机物、氮素、重金属）的高效处理,实现资源高效回收(如生物制氢)，是一项有利于资源综合利用的技术，在环境污染治理和清洁能源方面具有很好的研究与应用前景。^[14-15]

1.4微生物燃料电池去铬优势菌种的筛选

1.4.1铬的环境污染

铬在自然界中分布广泛，其中以大气、水、土壤和食品为主。土壤中平均含铬约10-15mg/kg，不同地区和不同土质的含铬量不同。河流水中铬含量约0.7-84ug/L，海为 0.6ug/L。城市大气铬的平均浓度为 0.01-0.03ug/m3，不同地区大气中铬含量也不同。许多植物性食品如大米、红糖、菌类中的含铬量较多，主要是较多的富集了土壤中铬的缘故。一般植物中的平均含铬量为0.2mg/kg干重。^[16-17]

1.4.2微生物法处理重金属的概况

传统的重金属污染治理方法多采用物理化学方法，如处理水体中重金属的化学沉淀法、离子交换法、电解法、萃取法、活性炭吸附法、膜分离法等，以及处理土壤中重金属污染的化学冲洗法、酸淋失和电化学法等，这些方法虽然对去除重金属污染有一定效果，但往往存在费用高，易产生二次污染等缺点。用微生物来治理重金属污染物是一项新兴的绿色生物技术，具有费用低、不引起二次污染、对环境影响小等优点。在铬污染治理中，将毒性极强的六价铬还原为毒性较小的三价铬是减少铬污染危害的关键。^[14]自然界中许多菌种具有Cr( Ⅵ )还原能力，因而用微生物法治理铬污染已受到人们的广泛认可。研究人员对几株不同细菌还原解毒六价铬的特性和机理进行了详细研究与探讨。从Cr( Ⅵ )污染环境中分离筛选出一株Cr(Ⅵ )还原菌Cr-4，通过16SrRNA基因序列分析，被鉴定为炭疽芽孢杆菌（Bacillus anthracis）。该菌株对Cr( Ⅵ )具有较好的抗性，菌体能在Cr(Ⅵ )浓度高达125mg/L的液体培养基中生长，在含Cr( Ⅵ) 50mg/L的液体培养基中生长，其细胞形态仍很完整。对铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的抗Cr( Ⅵ )性能、还原Cr( Ⅵ )的影响因素和机理进行研究。结果表明，铜绿假单胞菌对Cr( Ⅵ )的抗性比Cr-4菌株弱。研究人员研究了Fe( Ⅲ )对异化型铁还原菌产黄纤维单胞菌（Cellulomonas flavigena）还原Cr( Ⅵ )的影响。结果表明，FeCl3和纤铁矿能提高菌体对Cr( Ⅵ )的还原效率，但赤铁矿对菌体还原Cr( Ⅵ )没有明显的促进作用，这说明Fe(Ⅲ )对Cr( Ⅵ) 还原的影响与铁氧化物的性质相关。用分离菌Cr-4和铜绿假单胞菌处理含Cr( Ⅵ )工业废水，发现分离菌Cr-4的处理效率比铜绿假单胞菌高。将分离菌Cr-4菌液接种于Cr( Ⅵ )污染土壤，能加快土壤中Cr( Ⅵ )的还原，但使土壤中铬的活性有所提高。^[17-20]

参考文献：

[1]K.1ilen，O.Ozyurt， K.Bakirci，S.Karsh，etal.Energy Production，Consumption,and environmentalpollution for sustainable development:ACase study in Turkey.Renewable andSustainable Energy Reviews，2008，12(6):1529一1561

[2]詹亚力，张佩佩，闫光绪，郭绍辉.微生物燃料电池的研究现状及应用进展.科技咨询导报.2007,03:107

[3]Logan BE,Hamelers B,Roaendal R,etal. Microbial fuelcells:

methodologyand technology[J]. EnvironmentalScience Technology,

2006,40(17) :5181-5192.

[4]詹亚力，张佩佩，闫光绪，郭绍辉,王嘉麟.微生物燃料电池及其应用研究进展.现代化工.2007,27（1）：13-17

[5] Bullen R A,Arnot T C, Lakeman J B, et al. Biofuel cells and their development [J].Biosens.Bioelectron., 2006, 21:2015-2045.

[6] Du Z W,Li HR, Gu T Y. A state of the art review on microbial fuel cells: a promisingtechnology for wastewater treatment and bioenergy [J]. Biotechnol. Adv., 2007,25:464-482.

[7] Logan B E,Hamelers B, Rozendal R, et al. Microbial fuel cells: methodology and technology[J].Eviron. Sci. Technol., 2006, 40:5181-5192.

[8] Reimers CE, Tender LM, Fertig S,Wang W. Harvesting energy from the marine sediment-water interface. Environ SciTechnol,2001,35:192-195.

[9] Tender LM, Reimers CE, Stecher IIIHA, Holmes DE, Bond DR, Lowy DA, Pilobello K, Fertig SJ, Lovley DR.Harnessingmicrobially generated power on the seafloor. Nat Biotechnol , 2002,20:821-825.

[10]Song TS, Tan WM, Wu XY, Zhou CC. Effect of graphite feltand activated carbon fiber felt on performance of freshwater sediment microbialfuel cell. 2011，Journal of Chemicaltechnology and Biotechnology（DOI: 10.1002/jctb.3764）.

[11] Zhao F,Harnisch F, Schroder U, et al. Challenges and constraints of using oxygencathodes in microbial fuel cells [J].Environ. Sci. Technol., 2006, 40: 5193-5199.

[12] Oh S E,Min B, Logan B E. Extracting hydrogen electricity from renewable resources [J].Environ. Sci Technol., 2004, 38:160-167.

[13] You S J,Zhao Q L, Zhang J N, Zhao J Q. A microbial fuel cell using permanganate as thecathodic electron acceptor [J]. J. Power Sources, 2006, 162: 1409-1415.

[14] TerheijneA, Hamelers H V, Wilde V D, et al. A bipolar membrane combined with ferric ironreduction as an efficient cathode system in microbial fuel cells [J]. Environ.Sci. Technol., 2006, 40:121-125.

[15] Huang L P,Cheng S A, Chen GH. Bioelectrochemical systems for efficient recalcitrantwastes treatment [J]. J. Chem. Technol. Biotechnol., 2011，86:481-491.

[16] ClauwaertP, Rabaey K, Aelterman P, et al. Biological denitrification in microbial fuelcells [J].Environ. Sci. Technol., 2007, 41:341-335.

[17] Cheng S A,Xing D F, Call D F, et al. Direct biological conversion of electrical currentinto methane by electromethanogenesis [J].Environ. Sci. Technol., 2009,43:3953-3958.

[18] Li Z, Zhang X, Lei L. Electricity productionduring the treatment of real electroplating wastewater containing Crb usingmicrobial fuel cell [J]. Process. Biochem., 2008, 43:1352-1358.

[19] Wang G,Huang L P, Zhang Y F. Cathodic reduction of hexavalent chromium[Cr(VI)] coupledwith electricity generation in microbial fuel cells [J]. Bio. Technol. Lett.,2008, 30:1959-1966.

[20] Tandukar M, Huber S J, Onodera T, et al.Biological chromium(VI) reduction in the cathode of a microbial fuel cell [J].Environ. Sci. Technol., 2009, 43:8159-8165.