当前世界环境

介绍

世界需要开发可持续的技术，以取代由不可再生的化石燃料产生的成千上万的产品(Varman)et al .,2013;先后等, 2012)。需要可持续方式的新技术在人口爆炸中面临挑战，包括全球变暖，淡水稀缺和土壤恶化（Wang，2011）。微生物细胞工厂是从可再生资源生产各种商品化学品和生物燃料的有前途的替代品（Varman等, 2013)。

微生物燃料电池

据称几乎一百年的微生物可以发电，但只有在过去几年中，这种能力只有一个实验室新奇（Barua和Deka，2010）。微生物燃料电池（MFCs）是具有可持续能源生物技术的独特性，以利用微生物作为催化剂，用于将原料的化学能直接转化为其代谢的电力，从而被认为是废物（磨损等, 2014;Aelterman等, 2006;巴鲁阿和达卡，2010年;Mahendra and Mahavarkar, 2013)，盐水(曹等.， 2009)，沉积物(荣格等, 2014;弗兰克斯和内文。, 2010;谢等。2010年），或空间中的人类粪便（谢等, 2010)。mfc呈现了一个类似于传统燃料电池的复杂微生物生态系统，其中氧化还原反应是微生物代谢的一部分，而不是由无机催化剂介导的(Gruning)等, 2014)。

图1显示mfc由质子交换膜(PEM)分隔的两个室组成。生物可降解底物电子供体通过厌氧微生物的呼吸氧化，在MFC阳极室中获得自身生长所需的能量，通过离子交换膜(IEM)的外部电路到达分离的阴极作为终端电子受体，其中氧化剂被还原(Barua and Daka, 2010;王,2011;Aelterman等, 2006;yadav.等, 2009;马赫什等, 2013)

图1:微生物燃料电池概念(newspphone, 2014) 点击这里查看图

电子的转移可能是通过膜结合蛋白与电极表面的直接接触，或者通过将细胞连接到电极表面的微生物通过纳米线传导来实现的等, 2010)。当电子通过电路行进时，相应的质子通过质子交换膜（PEM）迁移到阴极隔室以维持电荷中立（Yadav等, 2009)。

光合藻类微生物燃料电池

开发生物阴极的想法是利用微藻的光合能力进行阴极供氧反应(Yadav)等, 2009)。微藻是水产环境中食物链底部的一组简单，植物状和老生物体（湾等, 2013;Kumar and Sharma, 2014)。微藻包括所有单细胞和简单多细胞微生物，包括原核蓝藻和真核绿藻和硅藻(Li等。，2008）。微藻具有使用太阳能（Varman）将大气CO2降低到有用的有机化合物中的能力。等, 2013)。光合藻类微生物燃料电池(PAMFC)已经成为一种有前景的生物技术，以产生可再生能源，因为它依赖于生物有机体作为廉价的，自我修复和容易获得的催化剂，从丰富的资源阳光(邦贝利)产生电力等,, 2014）。PAMFC的功率密度由系统的若干方面如太阳辐射，微藻的光合效率，以及MFC的效率（Helder等, 2012)。pamfc捕获并将太阳能转化为电能(Mahesh等.， 2013)，利用微藻在阴极室和厌氧微生物联盟在阳极(Gouveia等, 2014)。捕获的微藻将减少生产更多氧气的面积要求。它将导致MFC的紧凑型阴极的发展，并将降低更高的内部阻力问题，这是MFC缩放瓶颈之一（Yadav等, 2009)。

微生物脱盐细胞

嗜盐微生物是最适合在高浓度盐中生长的喜盐微生物，具有平衡渗透压和抵抗盐的变性作用的能力(Diba)等, 2014)。微生物脱盐细胞(MDC)是一种很有前途的生物技术，可以在没有电能输入的情况下脱盐水(Shehab等, 2013)。在MFC的结构基础上，通过增加中间室和阴离子交换膜(AEM)来实现脱盐功能(Wang, 2011)。图2显示了PAMFC改性为MDC的概念。MDCs由三个隔间组成，阳极、阴极和盐隔间，盐隔间位于阳极和阴极之间(Brastad和He, 2006)。

图2:PAMFC修改为MDC的概念(Blogs, 2013)。 点击这里查看图

MFCS与AEMS经常表现出比阳离子交换膜（CEM）更好的性能。穿过膜传递与AEM主物种，是CLE‰，HCO3ˉ，并用OHE‰离子一起HPO42-。虽然离子失衡是有害的微生物燃料电池的一般操作中，通过膜的离子电流产生过程中的运动提供了用于在，可以是用于实现水脱盐有用的方式改变水化学的方法（曹等, 2009)。

沉积物微生物燃料电池

沉积物微生物燃料电池(SMFC)是一种从水生沉积物中产生生物性电力的设备，也可以成为偏远地区可持续发电的可行方案(Jung)等, 2014;弗兰克斯和内文，2010)。

讨论

由于污染和有限的供应，目前对化石燃料的依赖是不可持续的(Franks和Nevin, 2010)。随着城市化进程的加快，对清洁水和可再生能源的替代来源的挑战对可持续发展是迫切需要的(Limson)等, 2013)。

近年来，随着人们对替代能源的日益关注，mfc的研究受到了广泛关注。来自有机或非有机能源的大量电子，储存在自然、农业、城市和工业废物的生物质废弃物中(El-Naggara)等.， 2010)，在MFC设计中，厌氧或兼性厌氧细菌在阳极微生物催化剂中使用(Limson等, 2013)。据估计，在未来20年，人均清洁水供应将减少三分之一。在世界许多地区，海水淡化是从咸水和海水中生产饮用水的一种选择，但大多数水淡化技术需要能源和密集型(Cao等, 2009)。dmc中的嗜盐菌在不需要电能输入的情况下淡化水(Shehab er al.， 2013)。当前mfc生物技术面临的主要挑战之一是其功率输出。在极化曲线等短期测试中，PAMFC的最大功率输出已经达到，且不能持续较长时间。从阳极到阴极的距离过长会导致阳极的输运损失。在一些研究中，阳极室的设计是管状的，在管的底部有一层膜，阴极位于阳极的下面(Helder等, 2012)。

在MFC中，微生物消耗厌氧条件下的基材，在阳极室（Praanab和Deka，2010）中产生二氧化碳，质子和电子。阳极性能是限制MFCS的实际应用的功率密度的重要因素，但仅报告了一点发展。为了改善阳极表面和微生物生物膜之间的相互作用，研究人员使用各种市售的碳基多孔阳极，包括碳布，碳纸，碳泡沫和网状玻璃化碳（Xie）等, 2010)。MFC的性能可以通过几个重要的工艺参数来提高，包括细胞代谢、微生物电子转移、质子交换膜转移、内外电阻和阴极氧化(Rahimnejad)等, 2014)。阴极作为阳极的性能，是一个重要的限制，由于使用可持续的阴极电解质(马赫什等.， 2013)，一般用氧作为最后的电子受体;加速阴极室中水的形成过程(拉希姆内贾德)等, 2014)。载流子在器件内迁移的距离可以大大缩短，减少电解质中的电阻损失(邦贝利等, 2014)。

PAMFC是一种利用于阴极室的微藻生物技术，可以在其代谢过程中产生氧气来产生可持续的生物电(Helder)等．２０１２）．在微生物燃料电池阴极中生产具有附加值的微藻生物量的证明可能性将增加生物电化学系统的经济可行性，允许开发用于脱盐或废水处理和碳固定的节能系统(Gouveia)等, 2014)。作为MFCS中的原料的使用藻类在文献中尚未被广泛报道（Limson等, 2013)。

图3：一种底栖微生物燃料电池（一种用途）（NRL，2013）。 点击这里查看图

利用一种有机物源作为海水淡化燃料(Cao)，可以在没有电能输入或高水压的情况下实现海水淡化等, 2009)。在MDC中，在脱盐过程中，阳极细菌仍然面临高盐度震动。高TDS [1] MFC中的阳极微生物的变化尚不清楚。由于连续，微生物群体可以通过盐度来改变盐分。添加盐增加了导电性并降低了内阻，因此有利于发电和去除TDS（Zhang等。，2011）。MDC通过在阳极和阴极之间添加海水淡化室来改性。外电子微生物催化电子给体转化为生物电性。MDC中的内阻随着水盐度的降低而显着增加，需要优化该技术以实现更高的脱盐速率和电力密度（Shehab等, 2013)。在一个由曹修改的MDC等．(2009)，在阳极和阴极之间放置两层膜，在膜之间创建一个中间室，用于海水淡化。负离子交换膜放置在阳极旁边，阳离子交换膜放置在阴极旁边。当阳极上的细菌产生电流时，中间室的离子物种被转移到两个电极室，使中间室的水脱盐。通过调整进入电极室和脱盐室的流速，应该可以将pH值的变化限制到所需的水平。添加比例缓冲液和使用阳极-阴极再循环是解决这一问题的两种可能的方法(Cao等, 2009)。为了增加MFC功率密度，应减少内阻（Helder等, 2012)。

军医反应堆在脱盐和能量回收方面表现出比MDC反应器更好的性能。这些差异是由于离子交换树脂（IERS）的存在，其可以充当桥梁以增强溶液和离子交换膜之间的离子转移。在MEDEM反应器中，阳极室中的细菌比MDC反应器氧化更快的有机物质，比MDCs（SHEHAB）具有更高的盐去除生产率（Shehab等, 2013)。图3显示了一个底栖微生物燃料电池(它是一种医疗设备)。

在阳极表面和微生物生物膜之间，促进细胞外电子转移，除了高电导率、化学稳定性、生物相容性、抗分解和催化活性，最佳的阳极最好需要多孔结构，以允许内部定植和强相互作用，包括亲和机械接触和更高的电导率(Xie等, 2010)。具有相当功率输出的MFC可以通过终端电子受机开发，具有低氧化还原电位（磨损等.， 2014)和增加阴极表面积(Banik等, 2012)。由于阴极电子受体，用O 2或空气的MFC需要昂贵的铂作为催化剂以加速O2还原（Mahesh等, 2013)。以最低可能的成本提高氧气降低的性能（Yadav等.， 2009)或新型厌氧微生物作为阴极催化剂是最重要的研究和发展问题之一(Mahesh等, 2013)。一些介质被建议用于微生物燃料电池，包括天然红、亚甲基蓝、硫氨酸或再吸收富因(Pranab和Daka, 2010)。

为了进一步完善MFC技术，需要了解这些系统的局限性和微生物学。一些研究人员正在揭示MFC技术的最大价值可能不是电力的生产，而是电极相关微生物降解废物和有毒化学品的能力（Franks和Nevin，2010）。

替代能源生产策略在打击未来能源危机的重要性。MFC可能是增强生物电性生产的有效手段。此审查无法详细介绍MFC研究的整个领域，但希望突出一些重要观点。

发现微生物代谢可以以电流形式提供能量，这导致了MFC研究领域的出版物数量的兴趣和戏剧性升高。MFC研究中最活跃的领域之一是从废水器中生产电力。研究表明，细菌可降解的任何复合可以转化为电力（Franks和Nevin，2010）。从化学键借助于活性微生物提供的产生电子，通过电外部电路传送到阳极，产生的质子通过质子交换膜朝向阴极舱移动。电子流量产生电流和电源（Rahimnejad等, 2014)。

在PAMFC中，微藻在阴极室中通过光合作用提供氧气(Gouveia)等, 2014)。应该注意的是，在这个系统中，微生物在阴极和阳极室中都被利用，描述了一个绿色系统。

mfc仍然面临着实验室实验规模扩大的问题。各种金属通常被用来催化阴极反应，但氧还原阴极目前是MFC中一个重要的限制因素(Franks和Nevin, 2010)。改进阳极设计对提高MFC性能具有重要意义，但相关报道较少。mfc的性能受许多因素的影响，包括阴极反应、衬底、缓冲系统和操作温度(谢等, 2010)。为了了解不同操作参数的影响，优化MFC的发电量，需要进一步的研究。随着微生物燃料电池技术的不断改进，微生物燃料电池有可能增加发电量，降低mfc的生产和运行成本。因此，废水处理与发电的结合可能有助于补偿废水处理的成本，使其可持续(Ghangrekar和Shehab, 2006)。

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