林秀榕

(广东省环境监测中心，广东广州 510308)



微生物燃料电池在环境监测中的研究进展

林秀榕

(广东省环境监测中心，广东广州 510308)

微生物燃料电池在环境监测领域有巨大的应用潜力。概述微生物燃料电池应用于环境监测的基本原理，对目前已有的微生物燃料电池型传感器为监测方法进行详细的介绍，包括微生物燃料电池用于易降解碳源、有毒污染物及微生物数量检测三方面的研究。最后探讨了微生物燃料电池传感器目前还未被广泛应用于实际水质监测的原因，以期为未来研究开发高性能微生物燃料电池传感器提供理论参考依据。

微生物燃料电池；环境监测；生物传感器；污染物

在我国现行的水质监测标准中，生化需氧量(简称BOD)、重金属、酚类、石油类物质等是重要指标。而现行的标准检测方法多采用化学分析方法，检测步骤繁多，耗时较长，对人力的要求较高，且检测结果无法反映毒性物质对水质的综合影响[1]。 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, 简称MFC)是以阳极微生物的厌氧呼吸为基础，以阴极为唯一电子受体的电子传递过程，是一种利用微生物将化学能直接转化成电能的装置[2]。在对其前期研究中，主要集中在产电微生物和结构或电极材料的优化研究以令其提高产电量[3-4]，以及将其应用在废水中处理有机物、重金属或其他离子[5-7]，这些方面的改进和应用均能达到较好的效果。 近年来，学者对MFC在环境监测中的应用进行研究。研究成果显示，MFC技术在水质监测方面具有实时、快速和综合性等特点，可弥补化学分析方法的不足之处，具有巨大的应用前景。笔者将对这类研究进行概述，讨论MFC在环境监测中的应用与潜在研究方向，以期对MFC在环境监测中的应用有较全面的概括。

1 微生物燃料电池应用于环境监测的基本原理

典型的MFC由阳极区和阴极区构成，中间用质子交换膜或离子交换膜等间隔材料间隔开。厌氧微生物在阳极氧化有机物，将有机物降解为二氧化碳和氢离子并释放出电子。释放的电子通过某些细菌自身产生的中介体或某些细菌产生的导电附属物传导到达阳极后[8-10]，在电势差的作用下通过外电路到达阴极；产生的氢离子在电池内部透过离子交换膜到达阴极，在阴极上与电子受体(如氧气、铁氰化钾等)以及电子结合生成水，从而完成了电子和质子的回路。其原理图如图1所示。

阳极室有机底物种类或浓度的不同，使阳极微生物的响应有所区别，MFC的输出电流与电子供体的量之间存在一定关系，因此它可以用于底物含量的测定。如Zhang等的研究指出，当以500 mg/L的吡啶和100、250及500 mg/L 3种不同浓度的葡萄糖作为MFC阳极的混合燃料时，最高输出电压呈现葡萄糖浓度越高则电压越高的变化，对应分别为349、538和623 mV[11]。微生物燃料电池在环境监测中的应用，将阳极生物响应电子供体变化带来的物化变化转换成可原位快速测得的电信号，把难以及时观察到的污染物浓度变化用易观察到的电流变化来表征，达到实时、原位、精确检测污染物的目的。

根据MFC的原理，其在环境监测中的应用属于生物传感器的应用。最早问世的生物传感器是以酶作为生物元件，之后陆续出现以抗原抗体、植物或动物的组织和神经受体、细胞器和整个细胞作为生物原件的生物传感器[12]。MFC是将活体微生物作为生物元件的生物传感器，与传统的酶传感器相比，MFC具有重复使用，寿命长，成本低等优点；此外，活体微生物对环境的适应能力比酶强，不需要严格的pH与温度控制，操作难度小[13]。然而由于其信号输出是由微生物的新陈代谢控制，响应时间较长，通常需要5～600 min[14]。因此，MFC传感器具有巨大的发展潜力，将MFC用作环境监测传感器有待进一步研究。

2 微生物燃料电池在环境监测方向的研究

2.1 微生物燃料电池用于易降解碳源监测的研究现有大部分MFC传感器的研究是针对其有机碳源的浓度感应，已涉及的易降解有机碳源包括葡萄糖、乳酸、乙酸、甲酸、谷氨酸、以及水质监测标准中要求的BOD值。 易降解有机碳源与电化学活性细菌的新陈代谢速率在一定的范围内呈现良好相关性，而电活性细菌的新陈代谢速率与输出电流的大小直接相关。目前已有的对单一易降解有机碳源的MFC传感器研究表明，MFC对葡萄糖的测量范围较广，为0～30 g/L[14-16]；对乙酸的测量范围为0～1.9 g/L[17]；用希瓦氏菌构建MFC对乳酸的测量范围为0～41 mmol/L[18]。

利用MFC传感器对实际废水的BOD值进行测定方面的研究，早在1977年，Karube等将丁酸梭菌用凝胶固定于铂电极的表面，构建MFC型的BOD生物传感器，利用该传感器对食品厂、酒精厂和屠宰场的废水BOD进行测定，相对误差在10%以内[19]。自2002年无介体MFC被发明以来，学者们开始构建无介体型的MFC传感器，对BOD进行测定。例如Chang等从活性污泥中富集电化学活性微生物，用葡萄糖和谷氨酸配成人工废水作为阳极燃料构建MFC传感器，对BOD的测量范围为20～100 mg/L，测量误差<10%[20]。Kim等从厌氧活性污泥中富集电化学活性微生物，以污水作为阳极燃料构建MFC传感器，这一传感器对BOD的测量范围为20～206 mg/L[14]；随后，他们又将MFC传感器应用于污水处理厂检验其原位监测的能力，结果表明，样品的BOD值可在45 min内被准确地测定[21]。Hsieh等用已知菌属的6种细菌混合接种到MFC中，构建的反应器能准确测定BOD浓度<240 mg/L的实际废水[22]。

此外，由于上述大部分MFC传感器主要用于测定高BOD浓度的废水，且常温微生物组成的MFC传感器不耐高温，且容易受到酸碱毒物的影响。这两个问题分别有研究团队提供解决方案，Kang等同样通过富集贫营养微生物的方法令MFC传感器能准确检测BOD为0.5 mg/L的样品[23]，日本学者用嗜热菌组成的MFC传感器能在65 ℃高温及化学试剂毒性作用的情况下，对BOD进行准确测定[12]。运用相同原理构建微型的MFC血糖浓度检测仪是MFC在监测领域应用的一个延伸[24]。 MFC型的BOD生物传感器研究已较为成熟，并已成功将其市场化，例如韩国科学技术研究院研制的HABS-2000和HABS-2001。然而在MFC传感器的稳定性、灵敏度和响应时间上，仍然需要不断进行研究加以改进。

2.2 微生物燃料电池用于有毒污染物监测的研究有毒污染物如酚类物质、重金属离子等也是我国现行水质标准中的重要指标。当MFC检测有毒物质时，原理与检测易降解碳源污染物略有不同，MFC在这里利用的是污染物对微生物细胞呼吸作用的非特异性抑制。有毒污染物进入MFC后，电化学活性菌的代谢受到有毒物质的抑制，导致输出电流降低，有毒物质毒性越大，电流降低幅度越大，根据有毒物质与电流降低幅度之间的关系构建毒物监测系统[25]。

Kim等研发的MFC传感器能够检测到0.04 mg/L的六价铬离子、0.03 mg/L的汞、0.04 mg/L的铅离子以及0.04 mg/L的苯[25]。该团队在后续研究中构建了一个新MFC传感器[26]，可以监测有机磷化合物、铅、汞和多氯联苯等，浓度为1 mg/L的这4种物质对电流输出的抑制率分别为61%、46%、28%和38%，该系统还被试验用于现场在线监控。此外，Davila等成功研制了一种硅胶制成的微型MFC毒物传感器[27]。Shen等通过对阳极生物膜曝氮气，提高了MFC传感器对铜离子的灵敏度[28]。

该类的MFC传感器目前也走向商业化，韩国生物工程系统公司开发HATOX-2000生物毒性监测系统用于水质综合毒性监测。由于电池电流的下降与有毒物质浓度间还没有很好的定量关系，目前还没有研究表明这类对有毒物质的MFC传感器能起到定量测定的作用，只能做定性的毒物超标判定，因此该类MFC传感器一般只被用于原位快速在线检测和定性预警。

2.3 微生物燃料电池用于微生物数量监测的研究在我国现行水质指标中，大肠杆菌的数量是其中一个评价指标，在食品评价行业，也是必要考核指标。现行的细菌数量检测方法如存在平板计数法、干重法均存在操作较为繁琐、测定时间较长等问题，快速简便的计数方法成为微生物检测发展需求。基于此，有学者进行了MFC应用于微生物数量检测的试验研究。应用MFC于微生物数量检测的原理：在阳极有机物量相同的情况下，当微生物数量越多时，其分解有机物的速率越快，导致电流值越高，因此电流值与微生物数量可以对应起来。Patchett等设计了可以测定下限为105个/ml的传感器，且测定速度极快，5 min内可测定完毕[29]。卢智远等设计了一种能在10 min内测定奶制品细菌浓度的传感器，检测的范围较宽，为103～1012个/ml，且准确率高，与平板计数法试验数据对照可得，两种方法测得的数目一致[30]。 但由于微生物处于不同生长期，代谢活性会存异，因此会对测定的准确性有影响，故该技术还需要制定相应的测定标准加以完善，目前暂时未有测菌数方面的商业化应用。

3 存在的问题

3.1 MFC性能的提高MFC灵敏性是其应用于环境监测的一个关键问题。MCF的产电性能直接影响其监测灵敏性，影响MFC产电性能的因素包括：①阴阳极室中发生氧化还原反应的能量动力学限制；②由电池内电解液、间隔材料、电极等引起的欧姆电阻局限；③有机物和细菌间的物质传递速率以及细菌和电极间的电子传递速率局限[31]。因此目前针对克服这些局限以提高MFC性能的研究主要分为以下3个方向:

(1)生物方向：产电微生物是MFC的核心，研究其生理生化特性、生态特性及电子传递特征，阐述MFC的基本产电机理，对优化电池性能具有根本性的指导意义[32]。

(2)化学方向：当MFC从实验室小规模运行走向实际应用时，需要扩大其规模和容量，在此过程中将面临MFC造价竞争力不足的问题[2]。新型电极材料和新型膜材料的使用，旨在提高产电性能的同时降低建造电池的成本，这也是新材料设计的根本考虑因素[33]。

(3)物理方向： MFC在物理方向的研究主要在于改进电池的结构和运行方式以提高其性能，以突破现有的输出电压限制，令电池走向大规模实际应用时，能达到最好的产电状态[34]。

3.2 混合污染物检测面临的难题在实际废水中，既存在着各种易降解有机物，也存在着各种有毒污染物，两类污染物对MFC的输出电压作用是相反的，两者作用会被相互抵消，因此电流的变化甚至无法对何种污染物的存在进行定性说明。 Stein等采用BVM模型来计算MFC传感器的输出数据，该模型的不同参数变化可以指示出是哪种毒物的浓度在发生变化[35]。但该模型也只是适用于有限的几种有毒污染物，对于成分复杂的实际废水来说，还需要进行长期的试验和验证，以期在短时间内实现MFC在实际环境监测中的应用。

4 展望

MFC技术由于其低能耗、易维护、稳定性佳等特点，在环境方面的应用具有巨大的前景，其中包括了环境监测领域。目前，基于MFC技术，已经在环境监测领域开展了一些研究，开发了各种用途的MFC型生物传感器，然而由于存在着不少问题，大部分还停留在实验室阶段。在接下来的研究当中，建议在以下方面进行重点探索：①通过对新材料的制备、对产电微生物机理的深入研究，选用合适的材料与阳极产电微生物来提高MFC传感器的灵敏度和响应速度；②加强对MFC传感器输出数据规律的研究，通过建立模型的方法来表征MFC用于实际污水检测时各污染要素的区分。随着对MFC技术的更深入研究，相信开发出响应快、灵敏度好的MFC型传感器指日可待。

[1] LIU J,MATTIASSON B.Microbial BOD sensors for wastewater analysis[J].Water Research,2002,36(15):3786-3802.

[2] LOGAN B E,HAMELERS B,FREGUIA S,et al.Microbial fuel cells:methodology and technology[J].Environmental Science and Technology，2006,40(17)：5181-5192.

[3] LOVLEY D R.Microbial fuel cells:Novel microbial physiologies and engineering approaches[J].Current Opinion in Biotechnology，2006,17:327-332.

[4] ZHANG F T,SAITO S C,HICKNER M A,et al.Logan B.E.Microbial fuel cells cathodes constructed from stainless steel mesh that use poly(dimethylsiloxane) diffusion layers[J].Environmental Science & Technology，2010,44(4)：1490-1495.

[5] LUO H,LIU G,ZHANG R,et al.Phenol degradation in microbial fuel cells[J].Chemical Engineering Journal，2009,147:259-264.

[6] QIN B,LUO H,LIU G,et al.Nickel ion removal from wastewater using the microbial electrolysis cell[J].Bioresource Technology，2012,121:458-461.

[7] CHEN S,LIU G,ZHANG R,et al.Development of the microbial electrolysis desalination and chemical-production cell for desalination as well as acid and alkali productions[J].Environmental Science & Technology，2012,46(4)：2467-2472.

[8] RABAEY K,BOON N,SICILIANO S D,et al.Biofuel cells select for microbial consortia that self-mediate electron transfer[J].Applied and Environmental Microbiology，2004,70(9)：5373-5382.

[9] REGUERA G,MCCARTHY K D,MEHTA T,et al.Extracellular electron transfer via microbial nanowires[J].Nature，2005,435:1098-1101.

[10] GORBY Y A,YANINA S,MCLEAN J S,et al.Electricity conductive bacterial nanowires produced byShewanallaoneidensisstrain MR-1 and other microorganisms[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2006,103 (30):11358-11363.

[11] ZHANG C,LI M,LIU G,et al.Pyridine degradation in the microbial fuel cells[J].Journal of Hazard Material，2009,172(1)：465-471.

[12] 王建龙，张悦，施汉昌，等.生物传感器在环境污染监测中的应用研究[J].生物技术通报,2000(3)：13-18,24.

[13] 李中坚.基于微生物电化学系统的废水处理技术研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[14] KIM B H,CHANG I S,GIL G C,et al.Novel BOD (biological oxgen demand) sensor using mediator-less microbial fuel cell[J].Biotechnology Letter,2003,25(7)：541-545.

[15] KUMLANGHAN,A,LIU J,THAVARUNGKUL P,et al.Microbial fuel cell-based biosensor for fast analysis of biodegradable organic matter[J].Biosensors and Bioelectronics,2007,22(12):2939-2944.

[16] DI LORENZO M,CURTIS T P,HEAD I M,et al.A single-chamber microbial fuel cell as a biosensor for wastewaters[J].Water Research,2009,43(13)：3145-3154.

[17] TRONT J M,FORTNER J D,PLOETZE M,et al.Microbial fuel cell biosensor for in situ assessment of microbial activity[J].Biosensors and Bioelectronics,2008,24(4):586-590.

[18] KIM H J,HYUN M S,CHANG I S,et al.A microbial fuel cell type lactate biosensor using a metal-reducing,Shewanella putrefaciens[J].Journal of Microbiology and Biotechnology,1999,9(3)：365-367.

[19] KARUBE I,MATSUNAGA T,MITSUDA S.Microbial electrode BOD sensors[J].Biotechnology and Bioengineering,1977,19 (10):1535-1547.

[20] CHANG I S,JANG J K,GIL G C,et al.Continuous determination of biochemical oxygen demand using microbial fuel cell type biosensor[J].Biosensors and Bioelectronics,2004,19(6):607-613.

[21] 蒋海明，李潇萍，罗生军，等.基于微生物燃料电池技术的生物传感器及其应用进展[J].中南大学学报：自然科学版，2010,41(6)：2451-2458.

[22] HSIEH M C,CHUNG Y C.Measurement of biochemical oxygen demand from different wastewater samples using a mediator-less microbial fuel cell biosensor[J].Environmental Technology,2014,35(17/20):2204-2211.

[23] KANG K H,JANG J K,LEE J Y,et al.A low BOD sensor using a microbial fuel cell[J].The Korean Society of Environmental Engineers,2004,26 (1):58-63.

[24] 杨冰，高海军，张自强.微生物燃料电池研究进展[J].生命科学仪器,2007(5):3-12.

[25] KIM H J,CHOI D W,HYUN M S,et al.Method and device for detecting toxic material in water using microbial fuel cell:United States,US20050164331-A1[P].2005.

[26] KIM M,HYUN M S,GADD G M,et al.A novel biomonitoring system using microbial fuel cells[J].Journal of Environmental Monitoring,2007,9:1323-1328.

[27] DAVILA D,ESQUIVEL J P,SABATE N,et al.Silicon-based microfabricated microbial fuel cell toxicity sensor[J].Biosensors and Bioelectronics,2011,26(5):2426-2430.

[28] SHEN Y,WANG M,CHANG I S,et al.Effect of shear rate on the response of microbial fuel cell toxicity sensor ro Cu(II)[J].Bioresource Technology,2013,136:707-710.

[29] PATCHETT R A,KELLY A F,KROLL R G.Use of a microbial fuel cell for the rapid enumeration of bacteria[J].Appl Microbiol Biotechnol,1988,28(1):26-31.

[30] 卢智远，牛中奇，刘启，等.一种微生物检测的生物电化学方法研究[J].传感技术学报,2005,18(3)：481-484.

[31] HE Z,MINTEER S D,ANGENENT L T.Electricity generation from artificial wastewater using an upflow microbial fuel cell[J].Environmental Science and Technology,2005,39:5262-5267.

[32] RABAEY K,BOON N,HOFTE M,et al.Microbial phenazine production enhances electron transfer in biofuel cells[J].Environmental Science and Technology,2005,39(9)：3401-3408.

[33] GONG X,YOU S,WANG X,et al.A novel stainless steel mesh/cobalt oxide hybrid electrode for efficient catalysis of oxygen reduction in a microbial fuel cell[J].Biosensors and Bioelectronics,2014,55:237-241.

[34] 薛诚.磁场对纯菌微生物燃料电池产电性能的影响研究[D].上海：华东理工大学，2013.

[35] STEIN N E,HAMELERS H M V,STRATEN G V,et al.On-line detection of toxic components using a microbial fuel cell-based biosensor[J].Journal of Process Control,2012,22(9):1755-1761.

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

广东省省长青年人才基金项目。

林秀榕(1985-)，女，福建泉州人，博士，从事水体综合生物毒性及预警研究。

2014-12-19

S 181.3

A

0517-6611(2015)04-227-03