以腐殖酸为电子介体提高微生物燃料电池功率输出的研究
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2020-02-15
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以腐殖酸为电子介体提高微生物燃料电池功率输出
的研究
张翼峰，苏妍彦，黄丽平
大连理工大学环境与生命学院，大连（116023）
）
E-mail：wengweng6201@hotmail.com
摘 要：电子介体可以显著提高微生物燃料电池（MFC）的产电性能。传统电子介体多为
人造染料中间体，存在价格昂贵、使用寿命短、生物毒性等问题，而腐殖酸（HAs）作为一
种天然电子介体有效的解决了上述难题。本研究利用乙酸钠作底物，使用市政污水作为接种
来源构建MFC，考察了HAs作为电子介体对MFC功率输出和产电过程的影响，以及不同来
源HAs的电子介体作用。结果表明，功率密度及库伦效率（CE）与HAs的浓度成正比。当
HA的浓度为2000 mg/L时，功率密度达到208 mW/m2，提高了73%，CE由最初的4.6%升高
到28.8%；当 FA浓度为2000 mg/L时，功率密度达到193 mW/m2，提高了61%，CE达到27.7%。
通过内阻及电导率分析，表明HAs主要通过促进电子传递，降低系统内组，进而强化功率输
出。不同来源HAs都不同程度的促进了功率输出，并符合以下规律：HAP>HAS>HAR。HAs
普遍存在于陆地与水生环境，因此，研究结果对介体MFC的实际应用具有重要的指导意义。
关键词：微生物燃料电池；腐殖酸；电子介体；污水处理
1．引言
微生物燃料电池（MFC）是借助微生物的催化作用直接将燃料(如有机酸,糖类等) 的化
学能转化为电能的装置。MFC在废水处理、生物质发电和生物传感器等方面具有重要的应
用前景
[1~3]
。
在MFC这个系统中，电子从菌体的外膜传递到电极是电子传递的关键一步，主要通过
两种途径：借助细胞色素等微生物自身产生的内源介体和蒽醌类外源介体。尽管少数微生物
可以通过内源介体将电子直接传递给电极，但这需要微生物细胞与电极体接触，因此限制了
活性细胞的密度，效率很低。另一方面，在MFC中加入适当的外源介体如中性红（NR）、
2,6-二磺酸蒽醌（AQDS）和新亚甲基蓝等，会显著改善电子的传递速率
[4~6]
。但这些常用介
体多为人工染料中间体，价格昂贵，使用寿命短，且对微生物有毒害作用，这些均限制了介
体MFC的工业化应用。因此，寻找更理想的介体将会在提高MFC的输出功率的基础上，促
进介体MFC的产业化应用。
腐殖酸(HAs)是一类由许多种有机复合物组成的天然高分子聚合物，包括胡敏酸（HA）
和富里酸（FA）。HAs广泛分布于陆地与水相环境中，含有羧基、酚羟基、醇羟基、醌基
等多种含氧官能团，具有很高的反应活性，其中的半醌物质已被证实可作为电子介体参与金
属还原菌与金属氧化物之间电子传递
[7]
。HAs与NR、AQDS等人工介体相比，具有来源广泛、
价格低廉、没有生物毒性等特点。因此，HAs可作为一种新型清洁的电子介体应用于MFC。
以往对电子介体的研究，多针对NR等人工蒽醌染料中间体，而使用HAs作为电子介体
的MFC还未见报道。本文使用HAs为电子介体，市政污水作为接种来源构建MFC，考察了
HAs对MFC功率输出和产电过程的影响，以及不同来源HAs的电子介体作用。从内阻及电导
率的角度对HAs的介体作用进行了分析，为进一步的机理研究奠定了基础。此外，由于污水
及沉积物中都可能存在HAs，考察其介体作用，对于研究污水及沉积物MFC的电子传递机制
具有重要的指导意义。
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