微生物燃料电池的原理和应用解析

微生物燃料电池（MFC）是利用微生物直接氧化还原性可生物降解物质，下面我们一起来看看微生物燃料电池的原理和应用解析。

    微生物燃料电池的原理和应用解析

    微生物燃料电池种类简介

    壳质可为海洋微生物燃料电池提供丰厚养料

    在可再生能源开发领域，海洋微生物燃料电池占有相当重要的一席之地。这种绿色水用能量供应系统具有可再生性、环保性和可持续发展性的优势，而且实用性、普适性也很强。科学家希望能够利用海洋微生物及淡水微生物的天然食性，在海洋或淡水水域产生可持续十多年的能量来源，为布置于近海和淡水水域的传感器持久供电。而且，如果这种能源能够实用化，还可依据其来研究发展独特的水域移动监视系统。

    在现实生活当中，水用能量供应系统经常被放置到遥远水域，为诸多被放置在浮标上或放置在水中的传感器提供能量。这些传感器常被用来测量海水或河水及湖水的温度、压力、盐度、密度和混浊度以及污染排放物，还被用来监测海上钻井平台的周边水域，以及海水、河水及湖水的污染状况，比如由赤潮引起的水质变化。还有一些用来测量声音及光线在水下的传导率的小型便携式仪器，也需要能够持久供电的能量来源。因为，尽管上述装置需要的能量都很小，但被考察的地区往往需要长期遥控监测。

    据最新一期的美国《环境科技》杂志报道，美国宾夕法尼亚大学科学家在海洋微生物燃料电池领域取得了一些新进展。他们发现，被丢弃的蟹壳、虾壳又有新用途，它们很可能是延长水上传感器的供电源———微生物燃料电池使用寿命的关键。

    为了产生电能，微生物燃料电池需要为细菌提供食物———有机物质。然而，深海海底的沉积物可能极度缺乏有机物，因为海洋中的活体生物一般都生活在光线能够穿透海水的透光层。这些生物在此区域不断再循环，形成一个食物链，很少能够有有机物质掉落到海床。科学家认为，缺少细菌食物源———有机物，限制了海洋微生物燃料电池的使用寿命。

    宾州大学的研究人员用一个用碳纤维布制作的枕头状电极，对包括甲壳类动物处理过程的下脚料———壳质在内的各种甲壳物质进行研究，电极被放置在海底沉积物里或悬在水中，以供自然存在的微生物通过吞吃壳质维持体力，四下游动，造成电荷流动。

    微生物燃料电池的工作原理如下：细菌在水中活动时，能把电子传到阳极，这些电子通过导线从阳极流动到阴极，因而产生电流。在此过程中，细菌需要消耗水中或水底沉积物中的有机物质。宾州科学家们利用在海洋中天然存在的微生物，因为有如此之多的海洋生物产生壳质，许多海洋微生物就靠分解壳质为生。

    研究人员包括环境工程学教授布鲁斯·洛根、土木工程助理教授雷切尔·布伦南、农业及生物工程助理教授汤姆·理查德等人。他们测试了两种壳质和一种纤维素。结果发现：纤维素不如壳质。他们认为，这是因为海洋如此习惯于壳质，以至于靠吃壳质为生的天然海洋微生物远远多于靠吃纤维素者。

    研究小组在实验室条件下做了一个海洋微生物燃料电池，外壳是一个玻璃瓶，瓶底放置着海底沉积物，里面埋着用碳纤维布制作的导电阳极，铂阴极悬浮在水中。当然，如果是在海里，就无需使用容器，但阳极和阴极必须靠得足够近，以使正电荷可以经由液体水到达阴极。

    研究人员测试了两种不同尺寸的壳质，结果发现，在无需为细菌增加有机食物的情况下，这两种壳质都能增加海洋微生物燃料电池的产电能力，而且细颗粒壳质的产电能力几乎是粗颗粒壳质的两倍。这说明，海洋微生物更容易消化细颗粒壳质。

    研究人员对这个发现很感兴趣，认为能够通过调整颗粒的尺寸大小，来控制细菌消耗壳质的比率，进而改变海洋微生物燃料电池的电力输出功率和微生物燃料电池的使用寿命。从技术上来讲，人类完全可以通过为细菌提供更多的食物来增加电池的功率。

    生物燃料电池。

    这种电池利用生物的异化作用，氧化微生物中的有机物，将化学能转化为电能。在有机物的分解过程中，必然会产生电子流。利用一定的方法获取这些电子流，将它导向外部电路，从而实现化学能和电能之间的转化。

    利用这个原理，我们可以采取两种方式。

    一是保持微生物细胞的完整性，在介体的帮助下将化学能转化为电能。氧化态的小分子介体可以穿过细胞膜或酶的蛋白质外壳到达反应部位，接受电子之后的成为还原态，然后扩散到阳极上发生氧化反应。以使用醇脱氢酶的甲醇燃料电池为例，在阳极区进行酶催化反应，原料甲醇脱氢氧化后产生的电子，先转移到ADH的活性中心，然后在介体（MED）的帮助下传递到阳极，再通过外电路负载L到达阴极。反应中产生的质子（H+）穿过质子交换膜进入阴极区，与氧一起在阴极上反应，接受来自外电路的电子，生成水。

    另一种方式是破坏细菌的细胞膜，使细胞内与有机物分解的酶，细胞器等暴露出来。酵母细胞破坏后仍然具有进行糖酵解的能力。说明细胞破坏后其生理活性在一定时间内不会丧失。其反应原理仍如前所叙。而且生物催化酶与电极的直接接触可以提高生物电池电势。但是电池内的微生物破裂后一段时间会失活，我们必须维持一定数量的完整微生物，同时保证一部分微生物的胞液在电池中。为了达到这个目的，我们可以将温和病毒中控制溶原裂解的基因转入该微生物，让它在一定时间后裂解，同时其他个体保持完整状态，进行繁殖。从而进行可持续发电。

    光合细菌电池。

    在条件恶劣，阳光缺乏的深海区，能长时间工作的光合细菌电池会给人带来无穷的便利。

    光合细菌有两种，一种是好氧性的蓝细菌，进行放氧性光合作用。一种是生活与缺氧环境中的绿色和紫色光合细菌，进行非放养性光合作用。他们的反应中心都是叶绿体。叶绿体在吸收光波后放出电子，这个电子被电子接受分子接受后，传递给另一种叶绿体，在这种叶绿体中接受电子的同时，产生一个ATP分子。利用某种介体将用于产生ATP的能量夺走，然后这么介体到达电极，释放电子到电极。这样光合途径有电子的传递，能够使光合作用正常进行。这种作用原理如同氧化磷酸化中的阻断剂，阻止ATP的形成，将化学能转化为热能，而在光合细菌电池中，化学能转化成电能。