隨著水環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，研發(fā)高效、綠色、低成本的水處理技術(shù)具有重要意義。微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)可以利用微生物為催化劑降解水中污染物，同時實現(xiàn)輸出電能和廢物資源化的功能。近年來，國內(nèi)外對MFC的關(guān)注逐年增長，且研究最多的國家為中國、美國和印度。在MFC構(gòu)型、陰陽極材料、處理難降解污染物等方面進行了大量研究，并衍生出其他新技術(shù)，例如微生物電解池、微生物脫鹽池、微生物反向電滲析電解池等，使得反應(yīng)器在產(chǎn)電的同時，實現(xiàn)污水處理、清潔能源生產(chǎn)、脫氮脫硝、化學(xué)品合成等，使MFC具有了獨特的技術(shù)及功能優(yōu)勢，顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。但是目前國內(nèi)對MFC的影響因素和應(yīng)用研究進展的綜述較少?；诖?，本文從MFC原理開始，闡述MFC的工作條件，并分析了MFC影響因素，包括電池構(gòu)型、底物種類、電極材料和陽極微生物。此外，綜述了近些年的MFC應(yīng)用進展，具體包括污水處理、MFC與其他技術(shù)耦合以及MFC生物傳感器。并對MFC今后的發(fā)展進行展望，以期為未來的研究工作提供參考。

微生物燃料電池(microbial fuel cell, MFC)可用的原料廣泛，其廣泛應(yīng)用為可再生能源的開發(fā)和難降解廢物的處理提供了一條新途徑。介紹了MFC的原理，并結(jié)合其發(fā)展趨勢闡述了MFC影響因素，具體包括電池構(gòu)型、底物種類、電極材料和陽極微生物。此外，綜述了近些年的MFC應(yīng)用進展，具體涵蓋污水處理、MFC與其他技術(shù)耦合以及MFC生物傳感器等領(lǐng)域。最后展望了MFC發(fā)展的主要方向，包括對傳統(tǒng)交換膜進行改造，或?qū)で竽ぬ娲牧?；開發(fā)具有低電阻、抗腐蝕、高孔隙率以及高比表面積的新型陽極材料；加強MFC與其他技術(shù)耦合以及改善MFC傳感器響應(yīng)時間和靈敏度等措施?？蔀榻窈驧FC技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

圖1 微生物燃料電池及其原理

表1 MFC中的陽極微生物

電子傳遞是實現(xiàn)MFC能源化的關(guān)鍵步驟。陽極微生物產(chǎn)生的電子從溶液中傳遞到電極表面的轉(zhuǎn)移機制，公認的有納米導(dǎo)線、電子中介體以及細胞直接接觸3種。部分細菌(Geobacter sulfurreducens)的表面存在納米級菌毛，起到類似于導(dǎo)線的作用。此外，中性紅、可溶性醌、AQDS和硫堇等電子傳遞中間體也被廣泛研究。電子傳遞中間體雖然可以提供有效的電子傳遞通道，但必須延長電子傳遞的途徑，使得MFC總產(chǎn)電效果不夠理想。此外，電子傳遞中間體易流失造成二次污染、提高成本，并對陽極產(chǎn)電菌產(chǎn)生影響。細胞直接接觸是利用部分陽極菌產(chǎn)生的細胞色素和醌類等物質(zhì)，將細胞膜內(nèi)的電子直接轉(zhuǎn)移至電極，常見的陽極菌包括地桿菌(Geobacteraceae)、腐敗希瓦菌(Shewanella putrefaciens)和銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)等。

MFC內(nèi)阻大、電流不穩(wěn)定、材料價格昂貴等明顯缺點，使得其沒有脫離開實驗室研究范疇，在中試放大應(yīng)用到生產(chǎn)實際中受很多因素的限制。

MFC最典型的結(jié)構(gòu)是雙室式。如圖2b所示，雙室MFC結(jié)構(gòu)簡單，易于改變實驗條件，便于分別對陽極、分隔膜、陰極進行研究。但由于陰極室和陽極室間存在一定距離，使得傳質(zhì)阻力較大，電阻較高，產(chǎn)電密度相對較低。分隔膜材料的主要作用是傳遞質(zhì)子，并阻擋陰極室的O2進入陽極。常用的交換膜主要有陽離子交換膜、質(zhì)子交換膜，但普遍價格偏高，不利于擴大化應(yīng)用。

表2 不同底物下的MFC功率密度

目前，MFC的研究正處于實驗室或小批量試驗水平，在實際應(yīng)用中電池輸出功率比較低(一般<10 W/m2)，這主要是由于電子在產(chǎn)電菌和外電極之間轉(zhuǎn)移困難。因此，研發(fā)高性能MFC陽極材料尤為重要。優(yōu)良的陽極材料應(yīng)具有低電阻、抗腐蝕、高孔隙率以及高比表面積等特性。目前，研究中常用的陽極材料有碳紙、碳布、石墨棒、泡沫碳、不銹鋼網(wǎng)和石墨纖維刷。最近，Wu等通過結(jié)合碳網(wǎng)和石墨纖維刷降解生活污水，其中碳網(wǎng)用于阻擋O2與纖維刷接觸，纖維刷用于穩(wěn)定碳網(wǎng)從微生物接收來的電子，實驗結(jié)果表明，復(fù)合陽極比僅使用纖維刷的MFC產(chǎn)生的功率密度高出20%，比碳網(wǎng)陽極的功率密度高出150%。有學(xué)者研制了石墨烯摻雜聚苯胺的復(fù)合材料，將其涂抹在電極表面，結(jié)果表明，石墨烯含量為20%的復(fù)合電極電化學(xué)性能最好。此外，陰極催化劑也可以顯著影響MFC產(chǎn)電性能。目前，對MFC陰極的研究多集中在非鉑催化劑上。最近，Lv等報道了Fe(PO3)3/FeP/PGC作為陰極催化劑時，MFC最大功率輸出為(1.162±0.022) W/m2，此外，工作1900 h之后陰極催化劑產(chǎn)生的最大功率密度僅下降4.56%，具有良好的耐久性。Farahani等研制出C(N)/MnOx-SP作為陰極催化劑，具有價格低廉的優(yōu)點，且MFC峰值功率密度為467 mW/m2，高于Pt/C作為催化劑的功率密度(446 mW/m2)。

在MFC的產(chǎn)電機理中，微生物降解污水會產(chǎn)生電子和質(zhì)子。微生物活性的強弱直接影響其分解底物的速率與徹底程度。底物分解越徹底，電池的庫侖效率也會越高?；炀偷腗FC由于菌間具有協(xié)同作用，通常比純菌型的MFC更容易形成生物膜，從而提高MFC的產(chǎn)電能力。影響微生物活性的外界因素都會對MFC產(chǎn)生一定影響，例如溫度、pH、底物濃度等。王鑫等利用空氣陰極MFC降解啤酒廠廢水，發(fā)現(xiàn)30 ℃下MFC的最大輸出功率是20 ℃下的1.11倍，但是庫侖效率和COD去除率沒有明顯的變化，并通過變性梯度凝膠電泳發(fā)現(xiàn)，溫度對陽極微生物種類和優(yōu)勢菌群具有很大影響。

表3 MFC用于廢水處理案例

近年來，由MFC驅(qū)動的生物-電-芬頓(Bio-Electro-Fenton)工藝被開發(fā)出來，用以減少電芬頓工藝的能耗。Xu等利用Fe@Fe2O3/非催化碳氈作為Bio-Electro-Fenton系統(tǒng)陰極降解17b-雌二醇，去除率超過90%，該實驗也側(cè)面說明Bio-Electro-Fenton系統(tǒng)被證實具有強的氧化能力，配備非催化碳氈的MFC已經(jīng)可以有效去除痕量的有機污染物。廉價高效易得的陰極材料是Bio-electro-Fenton系統(tǒng)發(fā)展的重點。

MFC是1種能夠利用微生物將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其產(chǎn)生的電信號可以直接反映水體污染程度并能實現(xiàn)在線監(jiān)測，因此在生物傳感器領(lǐng)域中發(fā)展迅速。MFC生物傳感器早已經(jīng)被用于檢測BOD、COD、DO以及環(huán)境中的有毒物質(zhì)。Zhou等研究出1種用于CO監(jiān)測創(chuàng)新型MFC生物傳感器。Jiang等通過優(yōu)化MFC外部電阻獲得較大電流輸出，實現(xiàn)傳感器對BOD和毒素監(jiān)測的靈敏度增加，但這也導(dǎo)致了較高的陽極電位。對于硝酸鹽監(jiān)測來說，反應(yīng)速率會隨著電極電位升高而降低，這意味著硝酸鹽與陽極競爭電子的能力有限，并且不能提供清晰的電信號。雖然MFC生物傳感器已被證明具有很好的毒性檢測潛力，但是目前大部分都僅限于水環(huán)境。Jiang等制造了1種新型氣體擴散(GD)-生物陰極傳感元件，首次證明GD-生物陰極MFC傳感器對甲醛的檢測限為20×10-6，也可用于監(jiān)測空氣污染。雖然有部分MFC生物傳感器已經(jīng)投入實際應(yīng)用，但仍然存在一些局限性，具體包括響應(yīng)時間長、靈敏度低、反應(yīng)器內(nèi)部微生物對需要檢測的有毒物質(zhì)沒有抵抗性。

MFC已被廣泛研究，并被認為是一種具有獨特優(yōu)點的創(chuàng)新技術(shù)，特別是在廢水處理領(lǐng)域，建議今后在以下方面進行深入研究：

1)MFC的構(gòu)造是影響其性能的重要因素。單室空氣陰極MFC的庫侖效率偏低，制約了其實際生產(chǎn)應(yīng)用。對此，可優(yōu)化MFC的構(gòu)造，對傳統(tǒng)交換膜進行改造，或?qū)で筮m宜的膜替代材料。

2)開發(fā)具有低電阻、抗腐蝕、高孔隙率以及高比表面積的新型陽極材料對于其大范圍推廣應(yīng)用是關(guān)鍵的。

3)MFC與其他技術(shù)耦合可以增強MFC功能的實用性，彌補自身缺點，擴大MFC的應(yīng)用范圍。CW-MFC系統(tǒng)生產(chǎn)生物電的能力仍然需要提高，了解人工濕地系統(tǒng)中生物修復(fù)的機理信息和MFC中的生物電生成有助于克服這一局限。且廉價高效易得的陰極材料是Bio-Electro-Fenton系統(tǒng)發(fā)展的重點。

4)微生物電極傳感器具有價格低廉、可實時監(jiān)測等優(yōu)點，將是未來生物電化學(xué)系統(tǒng)的研究熱點。