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微生物燃料電池：新型產(chǎn)能生物技術(shù)
（作者未知） 2010/5/26
（接上頁）豐富的氫氣產(chǎn)生，這一現(xiàn)象也進(jìn)一步的支持和驗證這一通路。
發(fā)酵的產(chǎn)物，如乙酸，在低陽極電勢的情況下也能夠被諸如泥菌屬等厭氧菌氧化，它們能夠在MFC的環(huán)境中奪取乙酸中的電子。
代謝途徑的差異與已觀測到的氧化還原電勢的數(shù)據(jù)一起，為我們一窺微生物電動力學(xué)提供了一個深入的窗口。一個在外部電阻很低的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的MFC，在剛開始在生物量積累時期只產(chǎn)生很低的電流，因此具有高的陽極電勢（即低的MFC電池電勢）。這是對于兼性好氧菌和厭氧菌的選擇的結(jié)果。經(jīng)過培養(yǎng)生長，它的代謝轉(zhuǎn)換率，體現(xiàn)為電流水平，將升高。所產(chǎn)生的這種適中的陽極電勢水平將有利于那些適應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物生長。然而此時，專性厭氧型微生物仍然會受到陽極倉內(nèi)存在的氧化電勢，同時也可能受到跨膜滲透過來的氧氣影響，而處于生長受抑的狀態(tài)。如果外部使用高電阻時，陽極電勢將會變低，甚至只維持微弱的電流水平。在那種情況下，將只能選擇適應(yīng)低氧化的兼性厭氧微生物以及專性厭氧微生物，使對細(xì)菌種類的選擇的可能性被局限了。
MFC中的陽極電子傳遞機(jī)制
電子向電極的傳遞需要一個物理性的傳遞系統(tǒng)以完成電池外部的電子轉(zhuǎn)移。這一目的既可以通過使用可溶性的電子穿梭體，也可以通過膜結(jié)合的電子穿梭復(fù)合體。
氧化性的、膜結(jié)合的電子傳遞被認(rèn)為是通過組成呼吸鏈的復(fù)合體完成的。已知細(xì)菌利用這一通路的例子有Geobacter metallireducens 、嗜水氣單胞菌（Aeromonas hydrophila）以及Rhodoferax ferrireducens。決定一個組分是否能發(fā)揮類似電子門控通道的主要要求在于，它的原子空間結(jié)構(gòu)相位的易接近性（即物理上能與電子供體和受體發(fā)生相互作用）。門控的勢能與陽極的高低關(guān)系則將決定實(shí)際上是否能夠使用這一門控（電子不能傳遞給一個更還原的電極）。
MFCs中鑒定出的許多發(fā)酵性的微生物都具有某一種氫化酶，例如布氏梭菌和微腸球菌。氫化酶可能直接參加了電子向電極的轉(zhuǎn)移過程。最近，這一關(guān)于電子傳遞方法的設(shè)想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必須結(jié)合可移動的氧化穿梭體。它們展示了氫化酶在還原細(xì)菌表面的中性紅的過程中扮演了某一角色。
細(xì)菌可以使用可溶性的組分將電子從一個細(xì)胞（內(nèi)）的化合物轉(zhuǎn)移到電極的表面，同時伴隨著這一化合物的氧化。在很多研究中，都向反應(yīng)器中添加氧化型中間體比如中性紅，勞氏紫（thionin）和甲基紫蘿堿（viologen）。經(jīng)驗表明這些中間體的添加通常都是很關(guān)鍵的。但是，細(xì)菌也能夠自己制造這些氧化中間體，通過兩種途徑：通過制造有機(jī)的、可以被可逆的還原化合物（次級代謝物），和通過制造可以被氧化的代謝中間物（初級代謝物）。
第一種途徑體現(xiàn)在很多種類的細(xì)菌中，例如腐敗謝瓦納拉菌（Shewanella putrefaciens）以及銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）。近期的研究表明這些微生物的代謝中間物影響著MFCs的性能，甚至普遍干擾了胞外電子的傳遞過程。失活銅綠假單胞菌的MFC中的這些與代謝中間體產(chǎn)生相關(guān)的基因，可以將產(chǎn)生的電流單獨(dú)降低到原來的二十分之一。由一種細(xì)菌制造的氧化型代謝中間體也能夠被其他種類的細(xì)菌在向電極傳遞電子的過程中所利用。
通過第二種途徑細(xì)菌能夠制造還原型的代謝中間體——但還是需要利用初級代謝中間物——使用代謝中間物如Ha或者HgS作為媒介。Schroder等利用E.coli K12產(chǎn)生氫氣，并將浸泡在生物反應(yīng)器中的由聚苯胺保護(hù)的鉑催化電極處進(jìn)行再氧化。通過這種方法他們獲得了高達(dá)1.5mA/cm2（A，安培）的電流密度，這在之前是做不到。相似的，Straub和Schink發(fā)表了利用Sulfurospirillum deleyianum將硫還原至硫化物，然后再由鐵重氧化為氧化程度更高的中間物。
評價MFCs性能的參數(shù)
使用微生物燃料電池產(chǎn)生的功率大小依賴于生物和電化學(xué)這兩方面的過程。
底物轉(zhuǎn)化的速率
受到如下因素的影響，包括細(xì)菌細(xì)胞的總量，反應(yīng)器中混合和質(zhì)量傳遞的現(xiàn)象，細(xì)菌的動力學(xué)（p-max——細(xì)菌的種屬特異性最大生長速率，Ks——細(xì)菌對于底物的親和常數(shù)），生物量的有機(jī)負(fù)荷速率（每天每克生物量中的底物克數(shù)），質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)中的質(zhì)子跨膜效率，以及MFC的總電勢。
陽極的超極化
一般而言，測量MFCs的開放電路電勢（OCP）的值從750mV~798mV。影響超極化的參數(shù)包括電極表面，電極的電化學(xué)性質(zhì)，電極電勢，電極動力學(xué)以及MFC中電子傳遞和電流的機(jī)制。
陰極的超極化
與在陽極觀測到的現(xiàn)象相似，陰極也具有顯著的（未完，下一頁）
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