文 献 综 述

一.微生物燃料电池（MFC）概述

随着经济的发展和人口的不断增长,人类对能源的需求越来越大,全球性的能源危机日趋突出, 开发一种能量转化效率高而又没有污染或低污染、低噪音的发电技术越来越重要，而燃料电池可满足这样的要求。微生物燃料电池（MFC）^[1],[2],[3]利用微生物在阳极生物催化降解有机物，将化学能转化为电能的装置。产电微生物作为阳极催化剂，通常在厌氧条件下将电子通过电子传递中间体或者通过自身的纳米导线传递给阳极，电子通过连接阴阳极的导线传递给阴极即有机物降解产生的电子通过阳极、外电路，最后到达阴极，而有机物降解产生的质子通过质子膜从电池的内部到达阴极，与电路中的电子和O₂反应生成水和CO₂。

生物燃料电池与传统的燃料电池在工作原理上面有许多相似的地方,以葡萄糖作为燃料电池的反应主体,葡萄糖分子在阳极失去电子被氧化,溶液中的氧气分子在阴极得到电子被还原,这样便在阴阳两极中形成了电流通路,其阴阳两极的电化学反应式^[4]如下：

阳极：C₆H₁₂O₆ 6H₂O = 24H 24e^- 6CO₂

阴极：6O₂ 24e^- 24H = 12H₂O

微生物燃料电池的原理^[5]为生物氧化，而生物氧化原理的研究也发展了多年。电子传递链与氧化磷酸化作用相偶联的机理虽研究多年,但仍不清楚。曾有三种假说试图解释这种机理。这三种假说分别为化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说。

化学偶联假说认为电子传递中所释放的自由能以一个高能共价中间物形式暂时存在,随后裂解将其能量转给ADP以形成ATP。但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。

构象偶联假说认为电子沿呼吸链传递释放的自由能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而形成一种高能形式暂时存在。这种高能形式将能量转给F₀F₁-ATP酶分子使之发生构象变化,,酶复原时将能量转给ADP形成ATP。

化学渗透假说由英国生物化学家Peter Mitchell提出的。他认为电子传递的结果将H 从线粒体内膜上的内侧”泵”到内膜的外侧,于是在内膜内外两侧产生了H 的浓度梯度。即内膜的外侧与内膜的内侧之间含有一种势能,该势能是H 返回内膜内侧的一种动力。通过F₀F₁-ATP酶分子上的特殊通道又流回内膜的内侧。当H 返回内膜内侧时,释放出自由能的反应和ATP的合成反应相偶联。该假说目前得到较多人的支持。这三种假说虽各有所述,但有一点是共同的,普遍接收能量化的质子是能量转化这一过程的首要中间产物的观点,都承认其中电化学梯度的存在。而在MFC中,细菌的外部环境也就是阳极液,其所含H 的不断透过间隔膜,和阴极的氧气或其他氧化物质结合,被消耗掉。故而影响到质子动力势能以及磷酸水平化进程。