阳极反应
:S2-+4H2O
→SO2-4+8H++8e-或 8/3S2-+4H2O→4/3S2O2-3+8H++8e-
阴极反应
:2O2+8H++8e-
→4H2O
有一些微生物
(如绿脓杆菌)自身能生成易还原的次级代谢产物,影响电子传递。次级代谢
产物指以初级代谢产物为前体合成的
,对微生物的生命活动无明确功能的物质。
近年来
,研究者发现了多种不需介体就可将代谢产生的电子通过细胞膜直接传递到电极
表面的微生物
——产电微生物。此类微生物以位于细胞膜上的细胞色素或自身分泌的醌类物
质作为电子载体
,将电子由细胞内传递至电极上,这种 MFC 称为直接 MFC(或无介体 MFC)。
2.2 阳极还原[2,8]
阳极还原指电子由微生物细胞内传递至阳极表面
,是电池产电的关键步骤,也是制约产电
性能的主要因素之一。常见的阳极电子传递方式主要有
4 种:直接接触传递、纳米导线辅助远
距离传递、电子穿梭传递和初级代谢产物原位氧化传递。前
2 种属于生物膜机制,后 2 种属于
电子穿梭机制。
2 种机制可能同时存在,协同作用,促进产电过程。
A 直接接触 B 纳米导线 C 氧化还原介体D 还原态初级代谢产物原位氧化
图
2 微生物燃料电池阳极电子传递机制示意图
2.2.1 生物膜产电机制
生物膜产电机制指微生物在电极表面聚集形成膜
,通过直接接触或纳米导线辅助作用而
转移电子。这是一种无介体电子传递机制。
直接接触传递指与阳极表面接触的产电微生物菌体可通过细胞膜外侧的
C 型细胞色素,
将呼吸链中电子的直接传递至电极表面
,如图 2A 所示。该方式只是紧靠电极表面的一单层微
生物可传递电子给电极
,因此电池性能受限于电极表面这一单层微生物的最大细菌浓度。
近期研究表明
,某些细菌的细胞表面存在一种可导电的纳米级纤毛或菌毛,起到电子导管
的作用
,依靠这些纳米导线辅助,可进行远距离电子传递。这些表面纤毛的一端与细胞外膜相
连
,另一端与电极表面直接接触,将细胞外膜上的电子传递至电极表面,实现电子转移,如图 2B
所示。这些菌毛可使电子传递到离细胞表面更远处
,进行较远距离的电子传递,从而可形成较
厚的具有产电活性的生物膜
,提高电池性能。
2.2.2 电子穿梭产电机制
电子穿梭产电机制指微生物利用外加或自身分泌的电子穿梭体
(氧化还原介体),将代谢
产生的电子转移至电极表面。根据介体的不同
,有介体电子传递可分外源介体的有介体电子
传递、还原态初级代谢产物原位氧化传递、微生物次级代谢物为介体的电子传递。
外源介体的有介体电子传递过程如图
2C 所示。底物在微生物作用下被氧化,进入微生物
细胞内并处于氧化态的介体捕获释放出的电子而被还原
,处于还原态的介体被微生物排泄出
体外
,在阳极表面失去电子被氧化,从而将电子传递到电极上。
自身可分泌具有电子传递功能的氧化还原介体的微生物
,主要将代谢物作为介体来进行
电子传递。其中
,以次级代谢物为介体进行电子传递的 MFC,消除了添加外源介体带来的各种
问题
,引起特别关注,其传递过程也可用图 2C 表示。在微生物体内分泌产生的氧化态次级代
谢物作为可逆的末端电子受体
,将电子传递至细胞外,在阳极表面发生电子转移,还原态介体
重新被氧化
,进入下一氧化还原过程。另有一些微生物能以代谢过程中产生的如 H2、H2S 等
初级代谢产物作为氧化还原介体进行电子传递
,如图 2D 所示。作为阳极氧化的还原剂,初级
代谢物介体需要满足一些条件
,即氧化还原电势应较低,但不能低于底物的氧化电势,且在
MFC 中易于电化学氧化。