微生物燃料电池与常见产生电能的细菌种类

摘 要:

化石燃料支撑着20世纪整个工业的发展,但石油资源将在未来100年左右枯竭。微生物燃料电池是利用微生物将有机物中的化学能转变成电能。目前分离的产电微生物主要是变形菌门和厚壁菌门的细菌,包括希瓦氏菌、铁还原红育菌、硫还原泥土杆菌等。

关键词:

在20世纪,化石燃料支撑着整个工业生产的发展,但化石燃料难以长期维持整个世界的经济发展。据估计,石油资源将在未来100年左右达到枯竭,在未来的10~20年内,石油将出现严重的供不应求的局面。此外,大量化石燃料的使用也带来了严重的气候问题。化石燃料中碳元素最终以CO2的形式进入大气,从而产生大理温室气体。

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是一种产生电能的新方法,利用微生物将有机物中的化学能转变成电能。1911年,英国科学家首次发现细菌培养液能够产生电流,利用铂作为电极,将其放进大肠杆菌和酵母菌的培养液中,成功制作出世界上第一个MFC。不过微生物燃料电池是一项新兴技术,没有大规模应用,还需要很长一段时间才能走向成熟。

产电微生物的筛选是建立MFC很重要的一个环节,目前,在自然条件下分离的产电微生物主要是变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)的细菌,多为兼性厌氧菌,可氧化糖类、有机酸等获得能量维持生长。

1、希瓦氏菌

希瓦氏菌(Shewanella)属是研究较多的产电微生物,主要有S. putrefactions IR-1、S. oneidensis DSP10和S. oneidensis MR-1,它们都属于变形菌门,交替单胞菌目(Alteromonadales),希瓦氏菌科。革兰氏阴性杆状,兼性厌氧。有氧条件下,可彻底氧化丙酮酸、乳酸为CO2。厌氧条件下,以乳酸、甲酸、丙酮酸、氨基酸、氧气为电子供体。

S. oneidensis DSP10是最早发现的可在有氧条件下产电的细菌,在有氧条件下能将乳酸氧化成CO2产电,该菌还能以葡萄糖、果糖、抗坏血酸(维生素C)为电子供体产电,以果糖为电子供体时产电最高,功率密度达350W/m2。该菌在微生物燃料电池中有较好的应用前景。

S. putrefactions IR-1最初是从稻田土中分离到,是首次报道的能直接将电子传递到电极表面的产电菌,开创了无介体燃料电池的研究先河。S. oneidensis MR-1多用于细胞与电极间电子传递机制的研究,其全基因组序列已完成,研究发现S. oneidemisMR-1约有37个编码Cytc的基因,Cytc被认为是电子跨膜传递的通道。

2、铁还原红育菌

铁还原红育菌(R. ferrireducens)属于变形菌门,伯克氏菌目(Burkholderiales),丛毛单胞菌科(Comamonadaceae),红育菌属(Rhodoferax)。革兰氏阴性,兼性厌氧,可以彻底氧化葡萄糖、果糖、木糖、庶糖等生成CO2。该菌是最早报道能直接彻底氧化葡萄糖产电的微生物,其它多数铁还原菌电子供体局限于简单有机酸,如乙酸、乳酸等。当向MFC加入糖或其它较复杂的有机物作为燃料时,还需要发酵细菌将其降解为简单有机酸后才能被利用。R. ferrireducens能以电极为唯一电子受体直接氧化葡萄糖、果糖、庶糖、木糖等生成CO2,并从电子传递中获得生长所需的能量。以葡萄糖为电子供体时,R. ferrireducens的电子回收率达81%。R. ferrireducens最适生长温度为25℃,但在4℃下仍能生长并还原Fe。由该菌构建的微生物燃料电池具有蓄电池的特点,利用底物产电迅速,放电后补充底物可恢复原来产电水平,可反复充放电,电池性能稳定。

3、硫还原泥土杆菌

Geobacter sulfurreducens属于变形菌门,除硫单胞菌目(Desulfuromonadales),地杆菌科(Geobacteraceae),地杆菌属(Geobacter)。革兰氏阴性杆菌,专性厌氧,铁还原菌,电子供体较少,仅能以乙酸和氢气作为电子供体,Fe(III)、S、Co-EDTA、延胡索酸和苹果酸为电子受体。

G. sulfurreducens是最早报道能直接利用电极还原产生的能量生长的一种微生物,该菌已成为目前产电代谢研究中的热点微生物。

G. sulfurreducens在沉积环境中还原Fe(III)氧化物时,并未发现类似于在电极上堆积形成细胞膜传递电子的现象,可能由于Fe(III)氧化物不同于可作为永久电子受体的电极,形成细胞膜并不利于消耗Fe(III)氧化物后转移到其它位置。该现象是微生物自身的适应性变化,也意味着通过基因工程或驯化的方法有可能在很大程度提高微生物还原电极的能力。

    日期:2014年04月11日  分类:有益菌
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