1.1 选题背景及依据

目前，全球已拥有超过60亿的人口数量^[1] ，然而在如此众多人口数量的基础上用于支撑工业和经济发展的仍然主要是化石燃料，但是总所周知，化石燃料并非属于一个可以持续性发展的能源，其终究有枯竭的一天。另外，化石燃料在利用过程中释放的碳使得空气中二氧化碳（CO₂）的量不断增多，造成了现在全球的一个重要问题#8212;#8212;全球气候不断变暖。因此，逐渐增加的世界人口总数和逐渐加大的经济发展要求使得能源与环境问题成为人类生存和谋求发展必须要面临和解决的挑战，研究和寻找新资源是延缓能源和环境威胁的有效方法。研究者们在探索的过程中发现细菌可以产生电能，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)由此诞生[4]。MFC 是一种新型的产电方法，即细菌利用化合物通过自身的代谢产生电能。MFC 在实际应用中还需要技术的不断进步，但是它具有原料广泛、无污染、可以利用废水产生电能等优点。尽管当前还未有成熟产品出现，但科学家大维#183;波格雷估计废水中蕴含的电能是其加工成本的十倍，这使得科研工作者对微生物燃料电池的关注度逐年提高。

微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cells，MFC) 是一种利用微生物分解代谢各种生物质燃料，将储存在燃料中的化学能直接转化为电能的装置^[3] ，在生物质转化领域展现了突出的应用潜能。英国植物学家Potter在1911年第一次在世界范围内发表了微生物可以产生电流^[4] 。在MFC中微生物氧化分解有机底物于此同时释放出电子，将电子通过电子传递链传递到其认为的唯一的电子受体#8212;#8212;电极上，从而电流得以生成，该代谢被认为是新型微生物呼吸方式。

目前对微生物燃料电池的研究表明MFC在操作方面和功能方面上具有绝对性的优势：（1） MFC具有高的能量转化效率，其可将有机物直接转化为电能；（2） MFC在常温甚至低温环境下仍然可以高效的保持运行，与其他生物能处理都有区别；（3） MFC中利用微生物氧化有机底物过程中主要产生废气CO₂，其没有可再利用性，因此无需处理相关废气；（4） MFC不需要消耗过多的能量，例如单室微生物燃料电池在电池运作过程中阴极所需的氧气只需不断通风就能够满足需要量；（5） MFC不仅在拥有潜在应用能力特别是在缺乏电力基础设施的地区，而且也满足了现如今我们对能源燃料的多样性要求。

MFC具有十分广泛的原材料、温和的反应条件、产能效率高、清洁等优势，可广泛应用于污水处理、能源再生、生物传感、生物修复等领域，例如MFC能够在降解有机污染物的同时产生电能，综上所述，MFC在生物质能和环境保护领域中具有突出的应用前景^[5-13] 。然而目前，该领域仍处于试验阶段，因此研究MFC电子产生机理、提高电子传递效率、优化微生物产电性能等，会使得MFC在各领域中的应用都具有举足轻重的实际指导价值。

生物表面活性剂是生物(主要是微生物) 生成的低分子量表面活性剂, 包括糖脂、多糖脂、脂肽、脂蛋白以及中性类脂衍生物等。它们的分子结构由两部分组成, 一部分是疏油亲水的极性基团, 如单糖、聚糖、氨基酸、肽和磷酸基等, 另一部分是由疏水亲油的碳氢链组成的非极性基团, 如饱和或非饱和的脂肪醇及脂肪酸等。正是由于具有这种既亲油又亲水的两亲性分子结构, 生物表面活性剂才能具有分散、加溶、润湿、渗透等性能, 但它们的生理功能还不是很清楚。虽然大多数的生物表面活性剂被看作是次级代谢产物, 但它们对微生物的生长却具有重要作用。例如, 烃类的难溶性使得摄取烃类的微生物在生长过程中往往伴随着生物表面活性剂的生成, 它们的作用主要是使烃类在水溶液中有效扩散, 并渗入细胞内部被同化分解。另一方面, 生物表面活性剂可以通过调节细胞表面的疏水性能来影响微生物细胞与烃类之间的亲和力。除此之外, 很多生物表面活性剂具有杀菌活性,并在细菌滑动穿越界面的活动中以及适应恶劣环境的代谢过程中发挥特殊作用。几乎所有这些生物功能均与它们的两亲性分子特征相关。

许多微生物都能生产生物表面活性剂。目前，国内外研究较多的是由假单胞菌产生的鼠李糖脂，它是一类非常重要的生物表面活性剂，不仅具有乳化、增溶、降低表／界面张力等功能，而且毒性小、易于生物降解，因而在石油开采、医药、食品、日化及环境保护等许多领域具有极大的应用潜力。铜绿假单胞菌可利用不同碳源生成鼠李糖脂。图1为鼠李糖脂的化学结构通式，其亲水基团一般由1～2分子的鼠李糖构成，憎水基团则由1～2分子具有不同碳链长度的饱和或不饱和脂肪酸构成。在生物合成过程中，这些基团之间可能相互链接而生成多种化学结构相近的同系物。研究表明，发酵产物中一般含有4种主要的鼠李糖脂，它们分别是RLl(Rha₂C₁₀C₁₀)，RL2(RhaC₁₀C₁₀)，RL3(Rha₂C₁₀)和RL4(RhaC₁₀)。其中，Rha₂C₁₀C₁₀的化学名为2-o-α-L-吡喃鼠李糖苷-α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羟基癸酰-β-羟基癸酸，又称双鼠李糖脂；RhaC₁₀C₁₀为α-L-吡喃鼠李糖苷-β-羟基癸酰-β-羟基癸酸，又称单鼠李糖脂。

鼠李糖脂在微生物细胞中有着多种不同的功能。一般地，由于它能降低界面的表面张力，使底物更容易被利用和代谢。鼠李糖脂表面活性剂能使细胞表面变得更加疏水，增加细胞与微溶性底物之间的直接物理作用。研究发现鼠李糖脂不仅能显著增加烃类化合物的溶解度，还能改变细胞表面的性质，增加它的疏水性。

1.2 国内外研究进展