应用与环境生物学报 2 0 0 8 , 1 4 ( 2 ) : 2 9 0—2 9 5 Ch i n J a p pt En v i r o n Bi o l=I S S N 1 0 0 6 - 6 8 7 X 2 0 08 - 0 4- 2 5 基 于铁还 原菌的微 生 物燃 料 电池研 究进 展 张锦涛 , 2 , 3 倪晋仁 ' 3 周顺桂2 ( ' 北 京大学深圳研究生院城市人居环境科学 与技术重点实验室 广东深圳 5 1 8 0 5 5 ) ( 广东省生态环境与土壤研 究所, 广东省农业环境综合治理重点实验室 广州 5 1 0 6 5 0 ) ( 北京大学环境 工程 系水 沙科学教育部重点实验室 北京 1 0 0 8 7 1 ) 摘要微生物燃料 电池 ( Mi c r o b i a l f u e l c e l l ,MF C) 是未来理想 的发电装 置,而铁还原菌是 目前 MF C研究中重要 的产 电微生物. 自然界 中并无微生物产 电的直接进化压力 , 而MF C电极 与 自然界 中Fe(III)氧化物 同为难溶性 胞外 电子受 体,研究表 明, 铁还原菌对二者的还原有相 似机制 . 基 于铁还原 菌的MF C具有无 需外加介 体,可利用 多种有 机 电子 供 体作为燃料 , 能量转化率 高等优点 . 本文分析了铁还 原菌还原电极和还原 F e ( I I I ) 氧化物 机制的相 似性 , 对 近年来基 于 各种铁还原菌的 MF C研究进展进行分述和总结 , 提出了铁还原菌 MF C的发展趋势和研 究方 向. 图 2表 1 参48关键词 微生物燃料电池( MF C ) ; 铁还原菌 ; 产 电微生物 ; 胞外 电子受体 CI C TM 9】 】. 45 Pr o g r e s s i n Re s e a r c h o f M i c r o bi a l Fue l Ce l l s Ba s e d o n Fe ( I I I ) 一reducingBa c t e r i a Z HAN G J i n t a o ' 一.NI J i n r e n ' & Z HOU S h u n g u i " ( K e y L a b o r a t o r y f o r E n v i r o n m e n t a l a n d U r b a n S c i e n c e s ,S h e n z h e n G r a d u a t e S c h o o l ,P e k i n g U n i v e r s i t y ,S h e n z h e n 5 1 8 0 5 5 ,C h i n a ) ( G u a n g d o n g K e y L ab o r a t o r y o fA g r i c u l t u r a l E n v i r o n m e n t P o l l u t i o n I n t e g r a t e d C o n t r o l , G u a n g d o n g I n s t i t u t e o f E c o — E n v i r o n m e n t a n d S o i l S c i e n c e s ,G u a n g z h o u 5 1 0 6 5 0, C h i n a ) ( Mi n i s t r y o fE d u c a t i o n K e y L ab o r a t o r y o f W a t e r a n d S e d i m e n t S c i e n c e s ,P e k i n g U n i v e r s i t y, B e i j i n g 1 0 0 8 7 1 ,C h i n a ) Ab s t r a c t F e ( I I I ) 一reducingbacteria( F R B)a r e i m p o r t a n t e l e c t r o g e n i c m i c r o o r g a n i s ms i n m i c r o b i a l f u e l c e l l s( MF C s ) . The r e ha s be e n n o k no wn e v o l u t i o na r y pr e s s ur e o n t he mi c r o o r g a ni s ms t o p r o du c e e l e c t r ic i t y.The r e f o r e,i t i s a s s u me d t ha t t he a bi l i t y o f e l e c t r o g e n i e mi c r o or g a ni s ms t o p r o d u ce e l e c t r ic i t y i s r e l a t e d t o t he i r c a pa c i t y t o t r a ns f e r e l e c t r o ns o n t o na t u r a l e x t r a c e l — l u l a r e l e c t r o n a c c e p t o r s . s u c h a s F e ( I I I )o x i d e s .A n e l e c t r o d e o f MF C a n d F e ( I I I ) 一oxideinnatureareboththeextracellularinsolubleelectronacceptorsfor F R B.T h e s i mi l a r me t a b o l i s ms b e t w e e n e l e c t r o n t r a n s f e r t o a n e l e c t r o d e a n d r e d u c i n g i n s o l u b l e F e ( I I I 、 . o x i d e b y F R B h a v e b e e n a n a l y z e d .T h i s a r t i c l e s u mm a r i z e s t h e i n f o r ma t i o n o n t h e r e c e n t d e v e l o p m e n t o f F R B — b a s e d MF C s ,a n d p o i n t s o u t t h a t t h e MF Cs b a se d o n F RB h a v e a g o o d p r o s p e c t ,b e c a u s e o f t h e i r h i g h e f f i c i e n c y o f e n e r g y c o n v e r s i o n a n d n e e d l e s s n e s s o f e x o t i c me d i a t o r .F i g 2,T a b 1 ,Re f 4 8 Ke y w o r d s m i c r o b i a l f u e l c e l l ( MF C ) ; F e ( I I I ) 一reducingbacterium(FRB);electrogenicmicroorganism; e x t r a c e l l u l a r e l e c — t r o n a ce e p t o r C I C TM9】】 . 45 随着全球气候变暖和化石燃料耗竭等问题的 日益严 峻,可替代能源和可再生能源的研究受到越来 越多的重视 . 构建多样 的、 更稳定 的能源 系统 , 已成 为各 国可 持续发展 和 国家 战略 的 重要组成部分 J . 太 阳能、 风能、生物 质能 等可再 生能 源产 业 的发展方兴未艾. 近年来 , 一 种能直接将 化学能 转化为 电能 的发电装置——微生物燃料 电池 , 以其 特有 的优 点,逐渐成 为新 兴能源领域 的研究热点. 微生物燃料 电池 ( Mi c r o b i a l f u e l c e l l , 简称 MF C ) , 是 以微生 物为催化剂将化学能直接转化 为电能的燃料 电池 . 由于它在能 收稿 日期 : 2 0 0 7 4 3 1 接受 日期 : 2 0 0 7 4 3 9 — 1 0 国家 自然科学基金 ( N o . 4 0 6 0 1 0 4 3 ) 与广东省 自然科学基金项 目( N o 7 0 0 6 7 5 9) S u p p o r t e d b y t h e Na t i o n a l Na t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f Ch i n a( N o .4 0 6 0 1 0 43 )a n d t h e N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f G u a n g d o n g C h i n a( N o .7 0 0 6 7 5 9 ) 通讯作者 C o r r e s p o n d i n g a u t h o r( E — ma i l : s g z h o u @s o i l . g d . c n ) 量转化过程减少 了燃烧步 骤,因而可 大幅提 高能量 转化效率. 同常规燃料 电池相 比,MF C以微生物代替 昂贵 的催化剂 , 因而 具有更多优点 :1 )常温常压条件下运行 ; 2 )无 需为防止催 化剂中毒提纯燃料 ; 3 )原料来源更 广泛. 理论 上,所有 可生物降 解 的有机物都可作 为MF C的燃料 , 因而可利 用污水 中的有机 污染物发 电.MF C在处理有机废物 的同时产生 电能 , 相 比传统 的耗能污水处理工艺 可有效降低运行成本 ' . 目前 , 微生 物燃 料电池 的研 究正处 于实验 室或小试 水平 , 电池输 出功率 比较低 ( 一般 小于 1 O / m 阳极面 积) . 为有效 降低 内阻 , 消除极化 , 提高输 出功率密度 , 主要工作集 中在以下 几个方面 :1 )电池 构型 的改进优 化-6j;2)适 于MF C的先 进电极材料的研制 与使 用'7j;3)运 行参 数 的优化 等.而作为 MF C的催 化剂 , 微生物氧化有机物并还原 电极 ( 即向阳极 传递 电子 ) 的速率 是影 响MF C电能输 出提高 的主 要 内因. 因此.对MFC中具 有胞外 电子传递活性 的微生物 ( 产 电微生物 , 维普资讯 http://www.cqvip.com 2期 张锦涛等 : 基 于铁还原菌 的微生物燃料 电池研究进展 2 9 1 E l e c t r i c i g e n i c m i c r o o r g a n i s m s ) 及其 电极还 原机 制 的研 究,不仅有助于阐明 MF C中的产 电呼 吸代谢途 径,而且有 利 于进一 步 提高 MF C性能 , 具有 重要 的理论意义与应用价值 . 1 M F C中的产 电微 生 物及其 电极还 原 机制 由于细 胞膜 的阻隔 , 多数微生物细胞 内代谢反应产 生的电 子并不 能传 递到胞外 , 因而不表现 出直接 的电化学 活性 . 为此 , 大多数 常规 的微 生物燃料 电池需 要采用 某些小 分子 的氧化 还 原活性物 ( 也称为介 体,Me d i a t o r ) 充 当电子 穿梭载 体,将胞内的电子转移 至电极表面. 在MF C中,可人为地 添加介 体促进 电子传递 . 常用 的介体包括 中性红 、 硫堇、A Q D S( 蒽醌- 2 , 6 一 二磺 酸) , 及各种 吩嗪 、 吩噻嗪 等. 这些 介体很 多 是杂 环类 化合 物,对人体有毒 , 不能直接排放到环境 中. 除了外 源添加 , 某些微 生物自身 也能 分 泌介 体. 例如,R a b a e y等发 现,铜绿假单 胞菌 ( P s e u d o m o n a s a e r u g i n o s a ) 能够合 成绿 脓 菌素 ( P y o c y a n i n ) 作为 介体 , 将 电子传递 至 阳极 ' J . 然而 , 微 生物 合 成介 体是 耗能 过程 , 而且 介体容易随着 基质更 新而损 失,从而降低 了电子供 体(燃料 ) 的利用效 率. 因此 , 无 介体 MF C是微生物燃 料 电池 的研发重点 . 混合菌 MF C的主要 接种物有 废水 、 活性污 泥和 水体 底泥 等.研究者发现 , 当MF C运行一 段时 间后 , 阳极 菌群 结构 较接 种物发生显著变化 , 具有产 电活性 的微生物 得到 富集 ' " ' J . 例如 , 1 6 S r R N A研究表明 , 以底 泥为接种 物或 基质 的MF C中,阳极表面富集 的6-proteobacteria可高达 7 0 % , 其 中以地杆 菌属 ( C . e o b a c t e r ) 为主" " , 这些 地杆 菌属 细菌 能够 在无 介 体条 件下,以电极为唯一 电子受体 , 将 一些简单 有机物 彻底 氧化 成二 氧化碳 和水 , 并从 中获取 生长所 需 的能量 1 6 ] .目前 , 已发现 的产 电微生物有 : 嗜水气单 胞菌 ( A e r o m o n a s h y d r o p h i l a ) ¨ , 丁 酸梭菌 ( C l o s t r i d i u m b u t y r i c u m) " , 腐败希瓦氏菌(Shewanellaputrefaciens),硫还原地 杆菌 ( C . e o b a c t e r u l f u r r e d u c e n s ) " , 铁 还原红育菌 ( R h o d o f e r a x f e r r i r e d u c e n s ) …, 丙酸 脱硫 叶菌 ( D e s — u l f o b u l b u s p r o p i o n i c u s ) ,S h e w a n e l l a o n e i d e n s i s L 2 2 J .C . e o t h r i x f e r m e n t a n [ , C . e o p s y c h r o b a c t e r e l e c t r o d i p h i l u s 等. 目前 已发现 的微 生物还 原 电极 的方式 主要 有 以下 3种:1)直接接触机制 ; 2 )通过氧化还原介体作为 电子穿梭体 ; 3 ) 利用纳米导线远距离传递 电子 ( 图1).[== = e— o 微 生物 B a c t e r i a o 介体Me d i a t o r 有机物 Or g a n i c s o C O 2 - 4 - H 2 O ( - 4 - 小分子有机物 S ma l l mo l e c u l a r o r g a n i c s ) 图1MF C中微生物 向电极传递 电子 的主要机制[ 2 5 ] F i g . 1 Ma i n me c h a n i s ms o f e l e c t r o n t r a n s f e r t o a n o d e b y e l e c t r o g e n i c mi c r o o r g a n i s ms i n MF C[ 2 5 ] 由于输 出功率 的限制 , 现有 的微生物燃料 电池离实 际应用 还有很大差距 , 其中有可能在短期 内投入实 际应用 的是底泥燃 料 电池 ( 图2) , 它可以用 于驱 动偏远海域中的低 能耗传感器'.底泥燃 料电池 ( S e d i me n t mi c r o b i a l f u e l c e l l ,S MF C ) 工作原理是 : 以产 电微生物( 主要是 地杆菌属 细菌 ) 为催化剂 , 将底泥 中的有机 物(如乙酸等 ) 彻底 氧化 , 产 生的 电子被微 生 物传递到阳极 , 然后通过 外 电路 到达 阴极 , 从 而形成 回路产 生 电流. 在SMF C中, 发酵微生 物的作 用是将 复杂 的有机 质降解 为发 酵产 物( 如 乙酸等 ) , 供富集 在阳极 的产 电微生物利 用,两者"接力" 完成复杂有机质 的彻底 氧化与产 电. 图2底泥燃 料电池示意 图[ 2 8 ] F i g , 2 A s c h e ma t i c o f a s e d i me n t mi c r o b i a l f u e 1 c e 1 1 [ 维普资讯 http://www.cqvip.com 应用与环境生物学报ChinJA p p l E n v i r o n B i o l 1 4卷2微生物电极 还原与Fe(III)氧化 物还原由于 自然界 中并 未发现对 产 电呼 吸 代谢 ( E l e c t r i c i g e n i c r e s p i r a t i o n m e t a b o l i s m) 的直接进化压力 , 因而推测 , 自然界 中可 能存在其它 因素导致微 生物 电极 还原 能力 的形成 . 铁 在地 壳 中平均含量为 5 . 6 % , 是地壳 中丰度 排第 二 的金属. 铁在自然界 中主要 以难溶性 F e ( I I I ) 氧化物 形式存在 . 作为 地球生 命 古老 的呼吸类型 , 微 生物还原 F e ( I I I ) 氧化物 的能力经 历了 长期 的进化选择 , 并且在元素 的生物地球化学循环 中扮演着重 要角色. 与 自然界 中的 F e ( I I I )氧 化物一样 , 电极也 是难溶性 的胞外 电子受体. 基 于电极 与Fe(III)氧化物作 为 电子受 体 的相 似性 , 有人 推测 , 微生物将胞 内代谢产生 的电子传递到电极 表面的机制可 能与其 还原 F e ( I I I ) 氧化 物(也称铁 呼吸 刮) 的能力有 关.韩国科学家从长期运 行的MFC中分 离出两 株铁还 原菌 , 即嗜水气单胞 菌(AeromonashydrophilaPA3)和丁酸梭 菌(Clos—tridiumbutyricumEG3).循环伏安法 和MFC实验证 明,在厌 氧条件下它们 不仅 可还 原Fe(III),而且 可 以还原 电极 产电. Ho l m e s 等以Fe(III)氧化物为电子受体 , 从海水 S MF C阳极 表 面分 离到 富集 的铁还原 菌Geopsychrobacterelectrodiphilus,该菌在SMF C电极 还原 中起 主要 作用. 铁 还原 菌[(Fe(III)-re-ducingbacteria,简称 F R B] 是指能够异化还原 F e ( I I I ) 并从 中获 取生长所需能量的微生物. 自从 1 9 8 7年Lovley首次在 淡水 底泥 中发现金 属还原 地杆 菌(GeobactermetallireducensGS15) 以来 , 人们 已经分离到铁还原细菌 1 0 0多株 . 陆续实验证 明, 许 多铁还原菌具有电极还原活性 , 可 进行产 电呼吸代谢 . 铁 还原 菌 的多样性 与 广泛 性,为MFC催 化剂的选择 提供了广阔空 间.铁还原菌对难溶 性Fe(III)氧化 物 的还 原主 要有 4种机制:( 1 )鳌合 剂促溶 机制 , 即 细胞释放 鳌合剂 促进 F e ( I I I ) 氧 化物溶解 , 然后再还原溶解态 F e ( I I I ) ;( 2 )直接接 触机制 , 即 铁还原菌通过细胞外膜上的电化学活性蛋 白L 3 2 将 电子传递 到Fe(III)氧化 物表 面;( 3 )电子 穿梭 机制 , 即利用 自然环境 中广泛存在的腐殖质 、 植物根 系分 泌物或 细胞 自身合成 的 氧化还原介体 作为 电子穿梭体 , 将 电子 传递 给Fe(III)氧化 物:( 4 )纳米导线辅助机制 , 即在特定条件下 某些铁还原 菌会 形成类似菌毛的导电附属物 , 细菌可 以纳米导线远距离 向固体 电子受体 ( 如铁氧化物 、 电极等 ) 传递 电子 , 从 而免除 了细 胞表 面与 电子受体的直接接触 , 有效增大 了反应面积 . 由于 电极是永久 性胞 外 电子受 体,不同于还 原后 消失 的Fe(Il1)氧化物 , 因此 , 电极还 原不存 在类似鳌合 剂促 溶 的机 制,而与后 3种Fe(III)氧化物 还原方式 相关. 例如,N e v i n等 在研究细菌还原 F e ( I I I ) 氧化物 的机制 时发现 , G e o t h r i x f e r - m e n t a n s 能分泌一种水溶性醌类 物质 , 这 种醌类 物质 可作为 电 子穿梭体加速 F e ( I I I ) 还原. 而在基于 G n 础眦 口的MF C研究中, 他们 同样发现细菌 可以 自身合成 介体 , 促进 细胞对 电极 的电子传递 ] . 但这两种介体是否同一物质, 有待进一步分离 鉴定.F o r b y 等研究ShewanellaoneidensisMR一1的纳米导线 时发 现,细胞色素 Mt r C和OmcA基 因缺 陷株 的纳 米导 线不能 导电 , 进而失去还原 F e ( I I I ) 氧 化物 的能力 , 同时 降低 在MF C 中的产电活性 , 说 明该菌可 利用导 电的纳米导 线 向电极或 F e ( I I I ) 氧化物传递 电子. 再如 , 地杆 菌属 ( G e o b a c t e r ) 细菌在还原 F e ( I I I ) 氧化物时并不产生 介体或鳌 合剂 , 但可 以利用细胞 色素 向Fe(III)氧化 物传递 电子.Me h t a 等 发现 , 两 种外膜 细胞色素 c, 即OmcS和 O m c E, 在GeobactersumiTedll~en$还原 难溶 F e ( I I I ) 氧化 物 中起着 重 要作 用. 敲除omcS基 因后 ,G . s u m r r e d u c e n s 丧失还原 F e ( I I I ) 氧 化物 的能 力,但能够继 续还 原可溶性 F e ( I I I ) . 而敲 除omcE的突变株 , 经过一段 时间培养 , 可缓慢恢复还原 F e ( I I I ) 氧化物的能力 , 但 较野生株 弱. 重新表 达两种蛋 白, 突变株 可再还原 F e ( I I I ) 氧化 物. 定量 R T . P C R分 析表明 , 相对于 以可溶性 的Fe(III)为电子受体 ,G s u l f u r r e d u - c e i l s 在MFC条件下 ( 即以电极为 电子受体 ) , o m c S 转 录水平增 加19倍 , 且omcS转录水平随 电流增大而增加 , 敲除 o m c S抑制 电流产生 . 在MF C条件 下,omsE转 录水 平也有所 提高 , 且OmsE基 因缺陷株经 过适应 性驯化 可逐 渐恢复产 电水平 , 但比野生株稍低. 尽管 O m c S和OmcE在 F e ( I I I ) 氧化物和 电极还原 中的具体 作用有待进一 步研究 , 但 上述 结果表 明,G .s u l f u r r e - d u c e n s 还原 r e ( I l 1 ) 氧化物 和电极时有相似 的机制 . 总之 , 大量研究证明 , 微 生物 电极还原 与Fe(III)氧化物异 化还 原具 有相似 机制 , 二者 相互借鉴 , 有 助于深入 理解 胞外电 子传递机制 . 3 基 于铁还原菌的 MF C研究 概况 目前报道 的基 于铁还原菌 的MF C , 大多无 需外加 介体 , 部 分菌还能从 电子传递过程 中获取生长所需 的能量 , 并以电极为 唯一 电子受体彻 底氧 化多 种有 机 电子供体 , 电子 回收 率较 高(表1).这类产 电微生物在 MF C应 用中有 两个优点 : 一是彻 底 氧化有机 物达 到较高 的能量转换率 ; 二是微生物从 电子传递过 程 中获取 生 长所 需 能量 , 实 现代 谢 活性 的 自我 维持 , 有利于MF C长期运行. 以下分别对报道过 的主要铁还原菌 MF C的特点及研究进 展进行 总结. 3 . 1 基于S.p u t r e f a c i e n s的MFCKim等 在研究 S .p u t r e f a c i e n s 代 谢乳 酸产 电时 , 最早提 出微生物能直接将 电子传递 到 电极 表面 的设想. 但S.putrefa-cwns在MF C中的生长时 , 大多数细胞处于游离状态 , 仅有少 量 细胞覆盖于 电极表面形成生物膜 , 因而容易随基质的更换而流 失. 当向 MF C中新鲜基质 中加入不 同浓度 的细胞 时,初始 电势 随浓度升高而增 大,与循 环伏 安法测 得的电化学 活性结 果一 致.推测 S .p u t r e f a c i e n依靠细胞表面的 电化学活性物质 ( 如 细胞色素 C) , 向电极传递电子. 由于 以电极为受体 时只能不完 全氧化有 限的 电子供体 , 如乳 酸、丙酮酸等 , 电子 回收率 较低 , 因而 , S .p u t r e f a c i e n s 并非理想 的MFC催 化剂 . 3 . 2 基于S.o n e i d e n s i s的MF C R i n g e i s e n等 在研究微型 MF C( 横截面积 2 . 0 c m , 体积 1 . 2 c m ) 时使用兼性厌氧菌 S .o n e i d e n s i s作为催 化剂 , 以乳 酸 为电子供体 , 按横截面积和 阳极体积计算最大输 出功率 密度分 别为3W/ m 、 5 0 0 W/ m , 但 电子 回收率低 于10%.S.o n e i d e n - s 向电极传递 电子 的机 制可 能包括 直接接 触机 制、电子穿 梭 机制 或纳 米导线辅助机 制,但3种机制对 电子传递 的贡献率并 维普资讯 http://www.cqvip.com 2期 张锦涛等 : 基 于铁还原菌 的微生物燃料 电池研究进展 2 9 3 未进一步研究. 微型MF C设计 能够有效 减少 扩散距离 , 增加单 位体积 的 阳极 表 面积 , 可有效 提高 功率输 出密度 , 但S.o r i e l — d e n s i s 利用 电子供体 ( 燃料 ) 的利用效 率过低 , 可考虑采 用其它 菌种提 高电子回收率. 表1已报道 的主要铁还 原菌燃料 电池概况 T a b l e 1 M i c r o b i a l f u e l c e l l s b a s e d o n F e ( I I I ) 一reducingbacteria}表示根据文献 中的数据计算或估算 T h e d a t a f o l l o w e d }a r e c a l c u l a t e d o r e s t i ma t e d b a s e d o n t h e d a t a i n r e f e r e n c e s 3 . 3 基于 G .s u l f u r r e d u c e n s 的MF C G s 托F F e d I I ~ e l Z $ 是最 早 报道 的, 能 够直 接 利用 电极 还原的能量生长的微生物 . 基 因组序列 信息的阐 明,有利于深入 了解 细胞 与 电极 表 面相 互作 用 的机 制,G s r r e d u — c e l z $ 已成为 目前产电代谢研究 中的热点微生物. 基于 G s u @F F e d l t c e l z $的MF C主要 依靠 附着 在 阳极 上的细胞传递 电子 . 激 光共 焦扫 描显微 观察 发现,随着 输出电流增强 , 阳极表面覆盖 的细 胞数量 增加 , 逐渐 形成 由多层 细 胞组成 的高度结构化 的生物膜 . 对不 同电流下 阳极生物膜 的生 物量分析表 明, 电流强度和 生物量线形 正相 关. 当达到最 大输 出电流 时, 生物膜平 均厚 度为 4 0 I x m . 活性染 色观察发 现,生物 膜 中离 电极表面较远的细胞仍具有产 电代谢 活性 , 并且参与对 电极的 电子传递 , 这些细 胞远距 离传递 电子与其表面导 电的菌 毛有关. 这些长约 2 0 I x m的菌毛相互交错 缠绕 , 构成 渗透 在生 物膜 中的" 纳米 电网", 有效促进 了远距离 的电子传递 . G s r r e d u c e n s 菌毛缺陷株不能还原 F e ( I I I ) 氧化物 J , 但可转化乙酸产 电,电流输 出较野 生株弱 J . 活性染 色观察 表明,只有紧靠 阳极 电极表面 的缺 陷型细胞具 有产 电活性 ] , 推 测这些 细胞能够 通过外膜细胞色素 c, 如OmcS,向电极传递 电子.G5rreducens在沉 积环 境中还原 F e ( I I I ) 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 F e ( I I I ) 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 F e ( I I I ) 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 的方法有可能能很大程度 提高微 生物还原电极的能力. 3 . 4 基于R.[ e r r i r e d u c e n s的MF C R . f e r r i r e d u c e n s 是最早报 道的 能将 葡萄 糖 的彻 底 氧化 与Fe(III)还原偶联 的兼性厌 氧微 生物 . 其他许 多铁还 原菌 , 如Geobacteraceae中的一些种 属,虽然能直接 向电极 传递 电子 , 但 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 . 而R.ferrireducens能以电极 为 唯一 电子受体直 接氧化葡 萄糖 、 果糖、蔗糖 、 木糖 等生 成CO,并从 电子传递 中获得生长所需 的能量. 当以葡萄糖 为电子供体 时 电子 回收率可 达81%[201.R . f e r r i r e d u c e n s 最适 生长温 度为 2 5℃ , 但在4℃下仍能 生 长并 还原 F e ( I I I ) , 它在低 温下 还原 电极的能力 未作 报道,有待 进 一步 考察. 基于R.f e r r i r e d u c e n s 的MFC具有蓄 电池 的特 点,如反复充 放 电时其蓄 电能力 无明显减弱 , 充 电快 速,储存较长时 间电池性 能保持稳定 等. 3 . 5 基于 D .p r o p i o n i c u s的MF C D . p r o p i o n i c u s 是最早发现 的能从难溶性 F e ( I I I ) 氧化 物还 原 中获取 生长 所需 能量 的硫 酸盐 还 原菌 . 它是Desulfobul—baceae的代表种 , 其主要代谢方式是通过不完 全氧化有机 酸如 乳酸 、 丙酸、 丁酸和 乙醇 等异化 还原硫 酸盐. 当缺乏 电子受 体时,还能通过琥 珀酸 一丁酸途径 发酵乳 酸、丙酮酸或 乙醇 生成 乙酸和丙酸的混合物. 在MF C中,D.p r o p i o n i c u s 能够 以乳酸 、 丙酸 、 丙酮 酸或氢为电子 供体,向电极 传递电子 并维持生维普资讯 http://www.cqvip.com 应用与环境生物学报ChinJA p p l E n v i r o n B i o l l 4卷长.根据反应物和产物 的化学平衡计算 , 以丙酮 酸盐 为 电子 供体 时,D. p r o p i o n i c u s 还原电极 的同时还进行 丙酮酸发酵 , 同 以难溶 F e ( I I I ) 氧化 物为 电子 受体 时 的混 合代 谢类 似. 因此 , MF C电子回收效率较 低,仅有 2 6 . 4 % 的丙酮 酸代谢 与 阳极 电 子传递偶联. 更 换新 鲜基 质,MF C能够 迅速恢 复 电流 输 出水 平,说明附着在 电极表 面 的细胞 在 阳极 电子传递 中起 主要 作用. 由于不能利用 乙酸作为 电子供体 , 一般 认为 D .p r o p i o n i c u s 在海水 S MF C电极还原中不会起 重要作用 . 但底泥 中的硫化 物 可被 电极 非生 物 氧化 产生单质 硫,沉淀在 燃料电池 阳极表 面,而D. p r o p i o n i c u s 能够将硫 氧化成硫 酸盐并 向电极传递 电子 . 因此 , 在含硫化 物丰 富的环境 中, 可形成 电极非 生物 还原与由 D .p r o p i o n i c u s 催化的生 物还原 并存 的MF C . 此 发现 丰富了对海水 S MF c生物产 电机制 的认识. 3 . 6 基于G..r,珊口的MFCGfermentan~是从石油 污染 的铁还 原环境 中分 离 的严格 厌氧菌 , 能以 F e ( I I I ) 为 唯一 电子 受体彻底 氧化多种 简单 有机 酸 和棕榈酸 , 是最早报 道的淡水 环境 中能够通过 F e ( I I I ) 还原氧化长链脂肪酸的微生物 . 它 以电极 为唯一 电子受体时 , 能 够彻底氧化 乙酸 、 琥珀酸 、 苹果 酸、乳酸 、 丙酸等简单有机酸 , 而 以乙酸为 电子供体时 的电子 回收率可高达 9 4 %. 研究表明 ,G . f e r m e n t a n s 还原 电极时 , 采取 了类 似还原难 溶性 F e ( I I I ) 氧化物 的策 略——合成介体加速 电子传递至 不溶 性胞外 电子受体 . 但更 换 阳极 室 中的基 质,MF C可保 持近 5 0 %的产 电能力 , 并 且在 新基 质 中数 周 内未检 测到 电子 穿梭 体,说明覆盖在电极表面的细胞可能以某种 方式 阻止 介体 释放 到基质中或者这些细胞能直接 向电极表 面传递电子 . 3 . 7 基于 G .e l e c t r o d i p h i l u s 的MF C H o l me s 等 从海水 S MF C阳极表面分离到两株独特 的耐 寒细菌 G .e l e c t r o d i p h i l u s A 1 和A2,可在 4℃时生长 , 并能还原 多种可溶和难溶 F e ( I I I ) . 以可 溶性 F e ( I I I ) 为电子 受体时 , 可 氧化多种有机酸 、 氨基酸 、 长链脂肪酸 、 芳香族化合物 .& e l e c — t r o d i p h i l u s 在MF C中能彻底 氧化 的有 机酸 包括 乙酸 、 苹果 酸、延胡索酸和柠檬酸等 , 电子 回收率在 9 0 %左右.A l 和A2的 1 6 S r R N A序列 与SMF C阳极表 面主 导 电子传 递 的微 生 物有 9 0 % ~9 7 %的相似性 , 说明 金electrodiphilusr在海水 S MF C电极还原 中起 主要 作用 . 考虑到其在低 温海 底 环境 中生长 的优 势,G.e l e c t r o d i p h i l u s 可作为模 式菌 , 深入研究海水底泥燃料 电池中微生物与 电极的相互作 用机制 , 优化 电极还原 能力 , 以推 动SMF C在驱动偏远海域传感器 中的应用. 4 研究展望 基 于铁还原菌 的MF C无需外 加介体 , 可利用 多种有 机物 作 为燃料 , 能量转化率高 , 具有很高 的研究及应用 价值 . 但 目前 为止 , MF C转化燃料 的速 率过低 , 输 出功 率有 限,是制约 实际 应用 的瓶颈. 筛 选能够快 速转化有 机物产 电的铁还 原菌 , 已成 为推动 MF C发展的迫切需要. 筛选适于 MF C的铁还原菌 主要 有以下 3种途径 : 1 ) 直接 从运 行 良好 的MF C阳极分离 , 分离时应尽量使用难溶 F e ( I I I ) 氧 化物作 为电子受体 , 并使 生理条 件(如pH、 温度 、 电子供体 等)接近原生境 ;2 ) 借鉴 F e ( I I I ) 氧 化物还原的研究 成果 , 考察 相关铁还 原菌 的电化学活性 , 也是 获得优 良MF C菌种 的重要途径 ; 3 ) 通过基 因工 程构建高效产 电菌株 . 目前 , 铁还原菌 MF C在 电化学优化方面 的研究较 为落后. 今后应结合铁还原菌基 因组 和 电极 还原机制 等方面 的研 究成 果,改进 电池构造 , 采用 特殊 电极材料 , 优 化运行参数 , 推动铁 还原菌 MF C应 用研 究的快速发展. 此外 , 考 察如何有 效利用发 酵细菌与铁还原菌 的协 同效应 , 扩 大燃 料利用谱 , 提高 MF C在 生活污水 、 畜禽粪便 、 淀粉废水 等有机 废弃 物处理领域 的应用 潜力,也将有效加快 MF C投入实际应 用 的步伐. R e f e r e nc e s l L o g a n BE.En e r g y d i v e r s i t y b r in g s s t a b i l i t y .En v i r o n S c i T e c h n o l ,2 0 0 6, 4 0( 1 7) : 5 1 6 l 2 L o g a n BE,Ge n e r a t i n g e l e c t r i c i t y f r o m wa s t e wa t e r t r e a t me n t p l a n t s . Wa — t e r E n v i r o n R e s , 2 o o 5 , 7 7( 3 ) : 2 l l 3 L o g a n BE. S i mul t a n e o u s wa s t e wa t e r t r e a t me n t a nd b i o l o g i c a l e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n .W a t e r S c i T e c h n o l , 2 o o 5 , 5 2( 】~ 2 ) : 3 1~3 7 4 P a r k DH .Z e i k u s J G.I mp r o v e d f u e l c e l l a n d e l e c t r o d e d e s i g n s f o r p r o · d u c i n g e l e c t r i c i t y f r o m mi c r ob i a l d e g r a d a t i o n .Bi o t e c h Bi o e n g, 2 0 0 3,8 1 ( 3 ) : 3 4 8~3 5 5 5 C h e n g S,L j u H ,L o g a n B E、I n c r e a s e d p o we r g e n e r a t i o n i n a c o n t i n u o u s f l o w MF C wi t h a d v e c t i v e f lo w t h r o u g h t h e p o r ou s a n o d e a n d r e d u c e d e — l e c t r od e s p a c i n g .En v i r o n S c i T e c h n o l ,2 0 0 6,4 O:2 4 2 6~2 4 3 2 6 Oh S E,L o g a n BE.P r ot o n e x c h a n g e me mb r a n e a n d e l e c t r o d e s u r f a c e a t - e a s a s f a c t o r s t h a t a f fe c t p o we r g e n e r a t i o n i n mi c r o b i a l f u e l c e l l s .Bi o t e c h Pr o d Pr o c ~s En g,2 o o 6,7 O:1 6 2~ 1 6 9 7 C h e n g S,Li u H ,L o g a n B E、P o we r d e n s i t i e s u s i n g d i f f e r e n t c a t h o d e c a t - a ly s t s( P t a n d C o T MP P )a nd p o l y me r b i n d e r s ( N a t i o n a n d P , r F E ) i n s i n g l e c h a mb e r mi c r o b i a l r u e l c e l l s . En v & o n S c i T e c h n o 1 . 2 0 0 6.4 0: 3 6 4 ~3 6 9 8 Gi l GC,C h a n g I S,Ki m BH ,Ki m M ,J a n g J K ,P a r k HS,Ki m HJ .Op — e r a t i o n a l p a ra me t e r s a f f e c t i n g t h e p e r f o r ma n c e o f a me d i a t o r · - l e s s mi c r o bi - · a l f u e l c e l 1 .Bi o s e a s Bi o e l e c t r o n.2 o o 3.1 8:3 2 7~3 3 4 9 Ra b a e y K,B o o n N,S i c i l i a n o S D,Ve r h a e g e M ,Ve r s t r a e t e W .Bi o f u e l c e l l s s e l e c t f o r mi c r o b i a l c o n s o ~ i a t h a t s e r f- me d i a t e e l e c t r o n t r a n s f e r . p l E n v i r o n Mi e r o b i o l , 2 0 0 4, 7 0 ( 9 ) : 5 3 7 3~5 3 8 2 1 0 Ra b a e y K,B o o n N,Ho f le M,Ve r st r a e t e W . Mi c r o b i a l p h e n a z i n e p r o— d u c t i o n e n ha n c e s e l e c t r on t r a n s f e r i n b i o f u e l c e l l s .En v i r o n S c T e c h n — o l ,2 0 0 5,3 9:3 4 01~3 4 0 8 l l Ki m BH ,Pa rkHS,Ki m HJ ,Ki m G. T,C h a n gI S,L e e J,P h u n gNT. En r i c h me n t o f mi c r ob i a l c o mmu n i t y g e n e r a t i n g e l e c t r ic i t y u s i n g a f u e l — c e l l — t y p e e l e c t r o c h e mi c a l c e l 1 .A p pl M i c r o b i o l Bi o t e c h n o l ,2 0 0 4,6 3: 6 7 2 ~6 8l l 2 Ba c k J H, Ki m MS, C h o H ,Ch a n g I S,L e e J,Ki m KS,Ki m BH, P a rk YI .Ha n YS . C o n s t r u c t i o n o f b a c t e r i a l a r t i f ic i a l c h r omo s o me l i — b r a r y f r o m e l e c t r o c h e mi c a l mi c r o o r g a n i s ms . FE MS Mi c r o b i o l L e t t , 2 0 o 4.2 3 8:6 5~7 0 1 3 T e n d e r L M , Re i me r s CE, S t e c h e r l I I HA , Ho l me s DE, Bo n d DR, L o w y DA,P i l o b e l l o K,F e r t i g S J,Lo v l e y DR. Ha r n e s s i n g mi c r ob i a l l y g e n e r a t e d p o we r o n t h e s e a f l o o r .Na t Bi o t e c h n o 1 .2 0 0 2,2 0:8 2 1~8 2 5 1 4 Bo n d DR,Ho l me s DE,Te n d e r LM ,L o v l e y DR. E l e c t r o d e — r e d u c i n g mi c r o o r g a n i s ms t h a t h a r v e s t e n e r g y f r o m ma r in e s e d i me n t s . S c i e n c e , 2 o o 2.2 9 5: 48 3 ~4 8 5 1 5 Ho l me s DE,Bo n d DR,ONe i l RA,Re i me r s CE,Te n d e r L R ,Lo v l e y DR. Mi c r ob i a 1 c o mmu n i t i e s a s s o c i a t e d wi t h e l e c t r o d e s h a r v e s t i n g e I e c — t r i c i t y f ro m a v a r ie t y o f a q u a t i c s e d i me n t s .Mi c r o b Ec o 1 .2 0 0 4. 4 8:1 78 ~ l 9 O 1 6 B o n d D R,L ov l e y D R.E l e c t r i c i t y p r od u c t i o n b y G e o b a c t e r s u l f u r r e d u - c e n $a t t a c h e d t o e l e c t r od e s .A p p l En v i r o n M i c r o b i o Z .2 0 0 3. 6 9:1 5 48~ 维普资讯 http://www.cqvip.com 2期 张锦 涛等:基于铁还原菌的微生物燃料电池研究进 展295155517PhamCA.J u n g S J .Ph u n g NT,L e e J,C h a n g I S,Ki m B H ,Yi H , C h u n J .A n o v e l e l e c t r o c h e m i c a l l y a c t i v e a n d F e ( I I I ) - r e d u c i n g b a e t e - r i u m p h y l o g e n e t i c a ll y r e l a t e d t o A e r o mo n a s h y d r o p h i l a,i s o l a t e d f r o m a mi c r o b i a l f u e l c e l 1 .FE MS M i c r o b i o l L e t t .2 0 0 3.2 2 3:1 2 9 ~1 3 4 1 8 P a r k HS,Ki m BH,Ki m HS,Ki m HJ ,Ki m GT,Ki m M ,Ch a n g I S, P a r k Y K,C h a n g H I .A n o v e l e l e c t r 0 c h e m i c a l l y a c t i v e a n d F e ( I I I ) 一re—ducingbacteriu m ph y l o g e n e t i c a ll y r e l a t e d t o Cl o s t nd i u m b u t y r i c u m i s o - l a t e d f r o m a mi c r o b i a l f u e l c e l 1 .An a e r o b e .2 0 01 ,7:2 9 7~3 0 6 1 9 Ki m B H ,Ki m HJ,Hy u n MS,P a rk DH. Di r e c t e l e c t r o d e r e a c t i o n o f F e ( I I I ) - r e d u c i n g b a c t e r i u m, S h e w a n e U a p u t r e f a c i e n s .J Mi c r o b i o l B i o — t e c h o l ,1 9 9 9,9:1 2 7~1 31 2 0 Ch a u d h u r i S K,L o v l e y DR.El e c t r ic i t y g e n e r a t i o n b y d i r e c t o x i d a t i o n o f g l u c o s e i n me d i a t o r l e s s mi c r o b i a l f u e l c e l l s .Na t Bi o t e c h n o l , 2 0 0 3,2 1: 1 2 2 9~ 1 2 3 2 2 1 H o l m e s DE, B o n d D R.L o v l e y D R.E l e c t r o n t r a n s f e r b y D e s u l f o b u l b u s p r o p i o n i c u s t o F e ( I I I )a n d g r a p h i t e e l e c t r o d e s . A p p l E n v i r o n Mi c r o b i o l , 2 0 0 4. 7 0( 2) : 1 2 3 4~1 2 3 7 2 2 Ri n g e i s e n BR, He n d e r s o n E,W u P K ,P i e t r o n J , Ra y R, Li t t l e B, B i f f i n g e r J C , J o n e s—Me e h a n J M.Hi g h p o we r d e n s i t y f r o m a mi n i a t u r e mi c r o b i a l f u e l c e l l u s i n g S h e wa n e U a o n e i d e n s i s DS P1 0. E n v i r o n S c i T e c h n o l ,2 0 0 6,4 0:2 6 2 9~2 6 3 4 2 3 Bo n d DR ,l o v l e y DR. Ev i d e n c e f o r i n v o l v e me n t o f a n e l e c t r o n s h u t t l e i n e l e c t r i c i t y p r o d u c t i o n b y G e o t h r i x f e r m e n t a n s .A p p l E n v i r o n Mi c r o b i - o l , 2 0 0 5 , 7 1( 4 ) : 2 1 8 6~ 2 1 8 9 2 4 Ho l me s DE.Ni c o l l J S.B o n d DR .L o v l e y DR.P o t e n t i a l r o l e o f a n o v e l p s y c h r o t o l e r a n t me mb e r o f t h e f a mi l y Ge o b a c t e r a c e a e,Ge o p s y c hr o b a c t e r e l e c t r o d i p h i l u s g e n . n o v .,s p . n o v. ,i n e l e c t r i c i t y p r o d u c t i o n b y a ma - r i n e s e d i m e n t f u e l c e l 1 . A p p l E n v i r o n Mi c r o b i o l , 2 0 0 4, 7 0( 1 0 ): 6 0 2 3 ~ 6 0 3 0 2 5 L o g a n BE,Re g a n J M. El e c t r i c i t y — p r od u c i n g b a c t e r ia l c o mmu n i t i e s i n m i c r ob i a l f u e l c e l l s .T r e n d s Mi c r o b i o l , 2 0 0 6 ,1 4 ( 1 2) : 5 1 2~ 5 1 8 2 6 Re i me r s CE,Te n d e r L M ,F e r t i g S,W a n g W . Ha r v e s t i n g e n e r g y f ro m t h e ma r i n e s e d i me n t . wa t e r i n t e r fa c e .En v i r o n S c i T e c h n o l ,2 0 01,3 5: 1 9 2~1 9 5 2 7 S h a n t a ra m A .Be y e n a l H .Ve l u c h a my RR A .L e wa n d o ws k i Z.W i r e l e s s s e n s o r s p o ' ~ e r e d b y mi c r o b i a l f u e l c e l l s . En v i r o n S c i T e c h n o l ,2 0 0 5, 3 9:5 0 3 7 ~5 O 4 2 2 8 L o v l e y D R .B u g j u i c e : Ha r ve s t i n g e l e c t r i c i t y w i t h m i c r o o r g a n i s ms .N a t R e v Mi c r o b i o Z ,2 o o 6,4:4 9 7~5 0 8 2 9 Va r g a s M ,Ka s h e f i K,B l u n t—Ha r r i s EL,L o v l e y DR.Mi c r ob i o l o g i c a l e v i d e n c e f or F e ( I I I )r e d u c t i o n o n e a rl y e a r t h .N a t u r e , 1 9 9 8 , 3 9 5: 6 5 ~ 6 7 3 0 Ho n gY G ( 洪义 国),G u o J( 郭俊),x u z c( 许 志诚 ) ,C e n Y H ( 岑英华) ,S u n G P( 孙 国萍) .B a c t e r i a l a n a e r o b i c r e s p i r a t i o n s r e l a t . e d t o a n a e r o b i c b i o t r a n s f or ma t i o n o f p r i o r i t y p o l l u t a n t s .C h i n J A p p l En - v i r o n B i o l( 应用与环境生物 学报 ) , 2 0 0 6 ,1 2( 6 ): 8 7 8~8 8 3 31 L o v l e y DR,S t o l z J F,No r d GL,P h i l l i ps EJ P . An a e r ob i c p r o d u c t i o n o f ma g n e t i t e b y a d i s s i mi l a t o r y i r on — r e d u c i n g mi c r o o r g a n i s m. Na t u r e , 1 9 8 7,3 3 0:2 5 2 ~2 5 4 3 2 Me h t a T,Co p p i MV ,Ch i l d e r s S E, L o v l e y DR. Ou t e r me mb r a n e c . t y p e c y t o c h r om e s r e q u i r e d f o r F e ( I I I )a n d Mn ( I V)o x i d e r e d u c t i o n i n G e o b a c t e r s u F F e d u c e n $ . A p pl En v i r o n Mi c r o b i o l , 2 0 0 5 ,7 1 ( 1 2) : 8 6 3 4 ~8 6 41 3 3 Bu t l e r J E,Ka u f ma n n F,C o p p i MV ,Nu n e z C,L o v l e y DR. Ma c A.a d i h e m e c - t y p e c y t o c h r o me i n v o l v e d i n F e ( I I I )r e d u c t i o n b y G e o b a c t e r s u r r e d u c e n s .J B a c t e r i o l , 2 0 0 4, 1 8 6( 1 2 ) : 4 0 4 2~4 0 45 3 4 L e a n g C. C o p p i MV, L o v l e y DR. Omc B,a c - t y p e p o l y h e me c y t o — c h r o m e . i n v o l v e d i n F e ( I I I )r e d u c t i o n i n G e o b a c t e r s u l f u r r e d u c e n s .J B a c t e r i o Z , 2 0 0 3 ,1 8 5 ( 7 ) : 2 0 9 6~2 1 0 3 3 5 L o v l e y DR ,F r a g a 儿,Bl u n t - Ha r r is EL,Ha y e s L A ,Ph i l l i p s E J P, C o a t e s J D. Hu mi c s u b s t a n c e s a s a me d i a t o r f or mi c r ob i a l l y c a t a ly z e d me t a l r e d u c t i o n .A c t a H y d r o c h H y d r o b ,1 9 9 8, 2 6 ( 3 ) :1 5 2~1 5 7 3 6 N e wma n DK.Ko l t e r R.A r o l e f or e x c r e t e d q u i n o n e s i n e x t r a c e l l u l a r e . 1 e c t r o n t r a n s f or .Na t u r e .2 O o o.4 0 5:9 4~9 7 3 7 G o r b y YA.Ya n i n a S,Mc L e a n J S,Ro s s o KM ,Mo y l e s D,Do h n a l k o v a A ,B e v e r id g e T J,Ch a n g I S,Ki m B H ,Ki m KS,C u l l e y DE,Re e d S B, Ro mi n e MF,S a f f a r i n i DA,Hi l l EA,S h i L,El i a s DA ,Ke n n e d y DW , P i n c h u k G ,W a t a n a b e K,I s h i i S,L o g a n BE,Ne a l s o n KH ,F r e d r i c k — s o n J K. El e c t r ic a ll y c o n d u c t i v e b a c t e r ia l n a n o w i r e s p r o d u c e d b y S h e - wa n e Ua o n e i d e n s i s s t r a i n MR一1andothermi c r oo r g a n i s ms . PNA S. 2 0 0 6. 1 0 3 ( 3 0) :l 1 3 5 8~l 1 3 6 3 3 8 N e v i n K P,L o v l e y DR .Me c h a n i s ms f or a c c e s s i n g i n s o l u b l e F e ( I I I ) o x i d e d u r i n g d i s s i m i l a t o r y F e ( I I I )r e d u c t i o n b y G e o t h r i x f e r m e n t a n s . A p p l E n v i r o n Mi c r o b i o 1 .2 o o 2.6 8:2 2 9 4 ~2 2 9 9 3 9 Ne v i n KP.L o v l e y DR. L a c k o f p r o d u c t i o n o f e l e c t r o n . s h u t t l i n g c o n. p o u n d s o r s o l u b i l i z a t i o n o f F e ( I I I ) d u r i n g r e d u c t i o n o f i n s o l u b l e F e ( I I I ) o x i d e b y G e o b a c t e r m e t a U i r e d u c e n s .A p p l E n v i r o n Mw r o b w l , 2 0 0 0.6 6:2 2 4 8 ~2 2 51 4 0 Ho l me s DE,Ch a u d h u f i S K,Ne v i n KP,Me h t a T,Me t h 6 B A ,Li u A , W a r d J E,W o o d a r d T L,W e b s t e r J ,L o v l e y DR.Mi c r o a r r a y a n d g e n e t i c a n a l y s i s o f e l e c t r o n t r a n s f e r t o e l e c t r o d e s i n G e o b a c t e r s u l f u r r e d u c e n s . E n v i r o n. 】 I f i c r o b i o Z . 2 0 0 6 , 8 ( 1 0) : 1 8 0 5~1 8 1 5 41 P a rk DH ,Z e i k u s J G. I mp a c t o f e l e c t r o d e c o mp o s i t i o n o n e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n i n a s i n g l e — - c o m p a r t me n t f u e l c e l l u s i n g S h e w a n e l l a p u t r e f a - c i e n s .A p p l Mi c r o b i o l Bi o t e c h n o l ,2 o o 2,5 9: 58~61 4 2 Ki m HJ,P a rk HS,Hy u n MS,Ch a n g I S,Ki m M ,Ki m BH.A me d i a — t o r — l e s s mi c r o b i a l f u e l c e l l u s i n g a me t a l r e d u c i n g b a c t e r iu m .S h e wa n e 1 . 1 a p u t r e f a c i e n s .E n z y m eMi c r o b T e c h , 2 0 0 2 , 3 0: 1 4 5~1 5 2 4 3 Me t h e B A ,Ne l s o n KE,E i s e n J A,P a u l s e n I T,Ne l s o n W ,He i d e l b e r g J F,W u D ,W u M ,W a r d N, B e a n a n MJ , Do d s o n R J,Ma d u p u R, B r i n k a c L M , Da u g h e r ty S C, De Bo y R T, Du r k i n AS, Gwi n n M , K o l o n a y J F,S u l l i v a n S A,Ha f t DH ,S e l e n g u t J ,Da v i d s e n TM ,Z a f a r N ,W h i t e O,Tr a n B,Ro me r o C,F o r b e r g e r HA ,W e i d ma n J ,Kh o u r i H ,F e l d b l y u m T V, Ut t e r b a c k TR, Ak e n S E V , L o v l e y DR, F r a s e r CM. Ge n o me o f G e o b a c t e r s u F F e d u c e a s :Me t a l r e d u c t i o n i n s u b s u r fa c e e n v i r o n me n t s .S c i e n c e .2 0 0 3. 3 0 2:1 9 6 7 ~1 9 6 9 4 4 Co p p i MV,L e a n g C,S a n d l e r S J ,L o v l e y DR.De v e l o p me n t o f a g e n e t . i c s y s t e m f 0 r 0 6 口ersu札"ce船. 铆zr0n慨 r 0 6 0 z , 2 o o 1 , 6 7( 7 ): 3 1 8 0~ 3 1 8 7 4 5 Re g u e r a G,Ne v i n KP,Ni c 0 U J S,C 0 v a l l a S F,W o 0 d a r d T L, L 0 v l e y DR. Bi o 6 l m a n d n a n 0 wi r e p r 0 d u c t i 0 n l e a d s t 0 i n c r e a s e d c u r r e n t i n ( I 6 0 " e r s u r , d Ⅱ c e f u e l c e l l s .铆zEnrDn慨 r 0 6 0 z ,2 0 0 6, 7 2 ( 1 1 ) : 7 3 4 5~ 7 3 4 8 4 6 Re g u e r a G,Mc Ca nh y KD,Me h t a T,Ni c 0 U J S,Tu 0 mi n e n MT,L 0 v l e y DR. E x t r a c e U u l a r e l e c t r ( 】 n t r a n s f e r v i a mi c r ( 】 a l n a n 0 wi r e s . ￡ u r e. 2 0 0 5.4 3 5:1 0 9 8一l101 4 7 Fi nn e r a n KT,J 0 h n s e n CV,I J o v l . y DR.尺0dq,.I.,,d"cersp.n0v.,a p s y c h mt 0 l e r a n t ,f a c u l t a t i v e l y a n a e r ( 】 c b a c t e r i u m t h a t 0 x i d i z e s a c e t a t e w i t h t h e r e d u c t i 0 n 0 f F e ( I I I ) . ￡ . , J s 跏Z,2003,53:669~6 7 3 4 8 C 0 a t e s J D, E l l i s D J ,Gf d w C V,L U v l . y D R. 0 加,er,n￡0船n.n0v.,s p . N 0 v . , a n 0 v e l ( I I I ) 一reducingbacteumflmmahydr0car_b0 n - c 【 ) n t a mi n a t e d a q u i f e r . ￡ . , 口0 c 把0Z,1 9 9 9, 4 9:1 61 5~ 1 6 2 2 维普资讯 http://www.cqvip.com
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应用与环境生物学报 2 0 0 8 , 1 4 ( 2 ) : 2 9 0—2 9 5 Ch i n J a p pt En v i r o n Bi o l=I S S N 1 0 0 6 - 6 8 7 X 2 0 08 - 0 4- 2 5 基 于铁还 原菌的微 生 物燃 料 电池研 究进 展 张锦涛 , 2 , 3 倪晋仁 ' 3 周顺桂2 ( ' 北 京大学深圳研究生院城市人居环境科学 与技术重点实验室 广东深圳 5 1 8 0 5 5 ) ( 广东省生态环境与土壤研 究所, 广东省农业环境综合治理重点实验室 广州 5 1 0 6 5 0 ) ( 北京大学环境 工程 系水 沙科学教育部重点实验室 北京 1 0 0 8 7 1 ) 摘要微生物燃料 电池 ( Mi c r o b i a l f u e l c e l l ,MF C) 是未来理想 的发电装 置,而铁还原菌是 目前 MF C研究中重要 的产 电微生物. 自然界 中并无微生物产 电的直接进化压力 , 而MF C电极 与 自然界 中Fe(III)氧化物 同为难溶性 胞外 电子受 体,研究表 明, 铁还原菌对二者的还原有相 似机制 . 基 于铁还原 菌的MF C具有无 需外加介 体,可利用 多种有 机 电子 供 体作为燃料 , 能量转化率 高等优点 . 本文分析了铁还 原菌还原电极和还原 F e ( I I I ) 氧化物 机制的相 似性 , 对 近年来基 于 各种铁还原菌的 MF C研究进展进行分述和总结 , 提出了铁还原菌 MF C的发展趋势和研 究方 向. 图 2表 1 参48关键词 微生物燃料电池( MF C ) ; 铁还原菌 ; 产 电微生物 ; 胞外 电子受体 CI C TM 9】 】. 45 Pr o g r e s s i n Re s e a r c h o f M i c r o bi a l Fue l Ce l l s Ba s e d o n Fe ( I I I ) 一reducingBa c t e r i a Z HAN G J i n t a o ' 一.NI J i n r e n ' & Z HOU S h u n g u i " ( K e y L a b o r a t o r y f o r E n v i r o n m e n t a l a n d U r b a n S c i e n c e s ,S h e n z h e n G r a d u a t e S c h o o l ,P e k i n g U n i v e r s i t y ,S h e n z h e n 5 1 8 0 5 5 ,C h i n a ) ( G u a n g d o n g K e y L ab o r a t o r y o fA g r i c u l t u r a l E n v i r o n m e n t P o l l u t i o n I n t e g r a t e d C o n t r o l , G u a n g d o n g I n s t i t u t e o f E c o — E n v i r o n m e n t a n d S o i l S c i e n c e s ,G u a n g z h o u 5 1 0 6 5 0, C h i n a ) ( Mi n i s t r y o fE d u c a t i o n K e y L ab o r a t o r y o f W a t e r a n d S e d i m e n t S c i e n c e s ,P e k i n g U n i v e r s i t y, B e i j i n g 1 0 0 8 7 1 ,C h i n a ) Ab s t r a c t F e ( I I I ) 一reducingbacteria( F R B)a r e i m p o r t a n t e l e c t r o g e n i c m i c r o o r g a n i s ms i n m i c r o b i a l f u e l c e l l s( MF C s ) . The r e ha s be e n n o k no wn e v o l u t i o na r y pr e s s ur e o n t he mi c r o o r g a ni s ms t o p r o du c e e l e c t r ic i t y.The r e f o r e,i t i s a s s u me d t ha t t he a bi l i t y o f e l e c t r o g e n i e mi c r o or g a ni s ms t o p r o d u ce e l e c t r ic i t y i s r e l a t e d t o t he i r c a pa c i t y t o t r a ns f e r e l e c t r o ns o n t o na t u r a l e x t r a c e l — l u l a r e l e c t r o n a c c e p t o r s . s u c h a s F e ( I I I )o x i d e s .A n e l e c t r o d e o f MF C a n d F e ( I I I ) 一oxideinnatureareboththeextracellularinsolubleelectronacceptorsfor F R B.T h e s i mi l a r me t a b o l i s ms b e t w e e n e l e c t r o n t r a n s f e r t o a n e l e c t r o d e a n d r e d u c i n g i n s o l u b l e F e ( I I I 、 . o x i d e b y F R B h a v e b e e n a n a l y z e d .T h i s a r t i c l e s u mm a r i z e s t h e i n f o r ma t i o n o n t h e r e c e n t d e v e l o p m e n t o f F R B — b a s e d MF C s ,a n d p o i n t s o u t t h a t t h e MF Cs b a se d o n F RB h a v e a g o o d p r o s p e c t ,b e c a u s e o f t h e i r h i g h e f f i c i e n c y o f e n e r g y c o n v e r s i o n a n d n e e d l e s s n e s s o f e x o t i c me d i a t o r .F i g 2,T a b 1 ,Re f 4 8 Ke y w o r d s m i c r o b i a l f u e l c e l l ( MF C ) ; F e ( I I I ) 一reducingbacterium(FRB);electrogenicmicroorganism; e x t r a c e l l u l a r e l e c — t r o n a ce e p t o r C I C TM9】】 . 45 随着全球气候变暖和化石燃料耗竭等问题的 日益严 峻,可替代能源和可再生能源的研究受到越来 越多的重视 . 构建多样 的、 更稳定 的能源 系统 , 已成 为各 国可 持续发展 和 国家 战略 的 重要组成部分 J . 太 阳能、 风能、生物 质能 等可再 生能 源产 业 的发展方兴未艾. 近年来 , 一 种能直接将 化学能 转化为 电能 的发电装置——微生物燃料 电池 , 以其 特有 的优 点,逐渐成 为新 兴能源领域 的研究热点. 微生物燃料 电池 ( Mi c r o b i a l f u e l c e l l , 简称 MF C ) , 是 以微生 物为催化剂将化学能直接转化 为电能的燃料 电池 . 由于它在能 收稿 日期 : 2 0 0 7 4 3 1 接受 日期 : 2 0 0 7 4 3 9 — 1 0 国家 自然科学基金 ( N o . 4 0 6 0 1 0 4 3 ) 与广东省 自然科学基金项 目( N o 7 0 0 6 7 5 9) S u p p o r t e d b y t h e Na t i o n a l Na t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f Ch i n a( N o .4 0 6 0 1 0 43 )a n d t h e N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f G u a n g d o n g C h i n a( N o .7 0 0 6 7 5 9 ) 通讯作者 C o r r e s p o n d i n g a u t h o r( E — ma i l : s g z h o u @s o i l . g d . c n ) 量转化过程减少 了燃烧步 骤,因而可 大幅提 高能量 转化效率. 同常规燃料 电池相 比,MF C以微生物代替 昂贵 的催化剂 , 因而 具有更多优点 :1 )常温常压条件下运行 ; 2 )无 需为防止催 化剂中毒提纯燃料 ; 3 )原料来源更 广泛. 理论 上,所有 可生物降 解 的有机物都可作 为MF C的燃料 , 因而可利 用污水 中的有机 污染物发 电.MF C在处理有机废物 的同时产生 电能 , 相 比传统 的耗能污水处理工艺 可有效降低运行成本 ' . 目前 , 微生 物燃 料电池 的研 究正处 于实验 室或小试 水平 , 电池输 出功率 比较低 ( 一般 小于 1 O / m 阳极面 积) . 为有效 降低 内阻 , 消除极化 , 提高输 出功率密度 , 主要工作集 中在以下 几个方面 :1 )电池 构型 的改进优 化-6j;2)适 于MF C的先 进电极材料的研制 与使 用'7j;3)运 行参 数 的优化 等.而作为 MF C的催 化剂 , 微生物氧化有机物并还原 电极 ( 即向阳极 传递 电子 ) 的速率 是影 响MF C电能输 出提高 的主 要 内因. 因此.对MFC中具 有胞外 电子传递活性 的微生物 ( 产 电微生物 , 维普资讯 http://www.cqvip.com 2期 张锦涛等 : 基 于铁还原菌 的微生物燃料 电池研究进展 2 9 1 E l e c t r i c i g e n i c m i c r o o r g a n i s m s ) 及其 电极还 原机 制 的研 究,不仅有助于阐明 MF C中的产 电呼 吸代谢途 径,而且有 利 于进一 步 提高 MF C性能 , 具有 重要 的理论意义与应用价值 . 1 M F C中的产 电微 生 物及其 电极还 原 机制 由于细 胞膜 的阻隔 , 多数微生物细胞 内代谢反应产 生的电 子并不 能传 递到胞外 , 因而不表现 出直接 的电化学 活性 . 为此 , 大多数 常规 的微 生物燃料 电池需 要采用 某些小 分子 的氧化 还 原活性物 ( 也称为介 体,Me d i a t o r ) 充 当电子 穿梭载 体,将胞内的电子转移 至电极表面. 在MF C中,可人为地 添加介 体促进 电子传递 . 常用 的介体包括 中性红 、 硫堇、A Q D S( 蒽醌- 2 , 6 一 二磺 酸) , 及各种 吩嗪 、 吩噻嗪 等. 这些 介体很 多 是杂 环类 化合 物,对人体有毒 , 不能直接排放到环境 中. 除了外 源添加 , 某些微 生物自身 也能 分 泌介 体. 例如,R a b a e y等发 现,铜绿假单 胞菌 ( P s e u d o m o n a s a e r u g i n o s a ) 能够合 成绿 脓 菌素 ( P y o c y a n i n ) 作为 介体 , 将 电子传递 至 阳极 ' J . 然而 , 微 生物 合 成介 体是 耗能 过程 , 而且 介体容易随着 基质更 新而损 失,从而降低 了电子供 体(燃料 ) 的利用效 率. 因此 , 无 介体 MF C是微生物燃 料 电池 的研发重点 . 混合菌 MF C的主要 接种物有 废水 、 活性污 泥和 水体 底泥 等.研究者发现 , 当MF C运行一 段时 间后 , 阳极 菌群 结构 较接 种物发生显著变化 , 具有产 电活性 的微生物 得到 富集 ' " ' J . 例如 , 1 6 S r R N A研究表明 , 以底 泥为接种 物或 基质 的MF C中,阳极表面富集 的6-proteobacteria可高达 7 0 % , 其 中以地杆 菌属 ( C . e o b a c t e r ) 为主" " , 这些 地杆 菌属 细菌 能够 在无 介 体条 件下,以电极为唯一 电子受体 , 将 一些简单 有机物 彻底 氧化 成二 氧化碳 和水 , 并从 中获取 生长所 需 的能量 1 6 ] .目前 , 已发现 的产 电微生物有 : 嗜水气单 胞菌 ( A e r o m o n a s h y d r o p h i l a ) ¨ , 丁 酸梭菌 ( C l o s t r i d i u m b u t y r i c u m) " , 腐败希瓦氏菌(Shewanellaputrefaciens),硫还原地 杆菌 ( C . e o b a c t e r u l f u r r e d u c e n s ) " , 铁 还原红育菌 ( R h o d o f e r a x f e r r i r e d u c e n s ) …, 丙酸 脱硫 叶菌 ( D e s — u l f o b u l b u s p r o p i o n i c u s ) ,S h e w a n e l l a o n e i d e n s i s L 2 2 J .C . e o t h r i x f e r m e n t a n [ , C . e o p s y c h r o b a c t e r e l e c t r o d i p h i l u s 等. 目前 已发现 的微 生物还 原 电极 的方式 主要 有 以下 3种:1)直接接触机制 ; 2 )通过氧化还原介体作为 电子穿梭体 ; 3 ) 利用纳米导线远距离传递 电子 ( 图1).[== = e— o 微 生物 B a c t e r i a o 介体Me d i a t o r 有机物 Or g a n i c s o C O 2 - 4 - H 2 O ( - 4 - 小分子有机物 S ma l l mo l e c u l a r o r g a n i c s ) 图1MF C中微生物 向电极传递 电子 的主要机制[ 2 5 ] F i g . 1 Ma i n me c h a n i s ms o f e l e c t r o n t r a n s f e r t o a n o d e b y e l e c t r o g e n i c mi c r o o r g a n i s ms i n MF C[ 2 5 ] 由于输 出功率 的限制 , 现有 的微生物燃料 电池离实 际应用 还有很大差距 , 其中有可能在短期 内投入实 际应用 的是底泥燃 料 电池 ( 图2) , 它可以用 于驱 动偏远海域中的低 能耗传感器'.底泥燃 料电池 ( S e d i me n t mi c r o b i a l f u e l c e l l ,S MF C ) 工作原理是 : 以产 电微生物( 主要是 地杆菌属 细菌 ) 为催化剂 , 将底泥 中的有机 物(如乙酸等 ) 彻底 氧化 , 产 生的 电子被微 生 物传递到阳极 , 然后通过 外 电路 到达 阴极 , 从 而形成 回路产 生 电流. 在SMF C中, 发酵微生 物的作 用是将 复杂 的有机 质降解 为发 酵产 物( 如 乙酸等 ) , 供富集 在阳极 的产 电微生物利 用,两者"接力" 完成复杂有机质 的彻底 氧化与产 电. 图2底泥燃 料电池示意 图[ 2 8 ] F i g , 2 A s c h e ma t i c o f a s e d i me n t mi c r o b i a l f u e 1 c e 1 1 [ 维普资讯 http://www.cqvip.com 应用与环境生物学报ChinJA p p l E n v i r o n B i o l 1 4卷2微生物电极 还原与Fe(III)氧化 物还原由于 自然界 中并 未发现对 产 电呼 吸 代谢 ( E l e c t r i c i g e n i c r e s p i r a t i o n m e t a b o l i s m) 的直接进化压力 , 因而推测 , 自然界 中可 能存在其它 因素导致微 生物 电极 还原 能力 的形成 . 铁 在地 壳 中平均含量为 5 . 6 % , 是地壳 中丰度 排第 二 的金属. 铁在自然界 中主要 以难溶性 F e ( I I I ) 氧化物 形式存在 . 作为 地球生 命 古老 的呼吸类型 , 微 生物还原 F e ( I I I ) 氧化物 的能力经 历了 长期 的进化选择 , 并且在元素 的生物地球化学循环 中扮演着重 要角色. 与 自然界 中的 F e ( I I I )氧 化物一样 , 电极也 是难溶性 的胞外 电子受体. 基 于电极 与Fe(III)氧化物作 为 电子受 体 的相 似性 , 有人 推测 , 微生物将胞 内代谢产生 的电子传递到电极 表面的机制可 能与其 还原 F e ( I I I ) 氧化 物(也称铁 呼吸 刮) 的能力有 关.韩国科学家从长期运 行的MFC中分 离出两 株铁还 原菌 , 即嗜水气单胞 菌(AeromonashydrophilaPA3)和丁酸梭 菌(Clos—tridiumbutyricumEG3).循环伏安法 和MFC实验证 明,在厌 氧条件下它们 不仅 可还 原Fe(III),而且 可 以还原 电极 产电. Ho l m e s 等以Fe(III)氧化物为电子受体 , 从海水 S MF C阳极 表 面分 离到 富集 的铁还原 菌Geopsychrobacterelectrodiphilus,该菌在SMF C电极 还原 中起 主要 作用. 铁 还原 菌[(Fe(III)-re-ducingbacteria,简称 F R B] 是指能够异化还原 F e ( I I I ) 并从 中获 取生长所需能量的微生物. 自从 1 9 8 7年Lovley首次在 淡水 底泥 中发现金 属还原 地杆 菌(GeobactermetallireducensGS15) 以来 , 人们 已经分离到铁还原细菌 1 0 0多株 . 陆续实验证 明, 许 多铁还原菌具有电极还原活性 , 可 进行产 电呼吸代谢 . 铁 还原 菌 的多样性 与 广泛 性,为MFC催 化剂的选择 提供了广阔空 间.铁还原菌对难溶 性Fe(III)氧化 物 的还 原主 要有 4种机制:( 1 )鳌合 剂促溶 机制 , 即 细胞释放 鳌合剂 促进 F e ( I I I ) 氧 化物溶解 , 然后再还原溶解态 F e ( I I I ) ;( 2 )直接接 触机制 , 即 铁还原菌通过细胞外膜上的电化学活性蛋 白L 3 2 将 电子传递 到Fe(III)氧化 物表 面;( 3 )电子 穿梭 机制 , 即利用 自然环境 中广泛存在的腐殖质 、 植物根 系分 泌物或 细胞 自身合成 的 氧化还原介体 作为 电子穿梭体 , 将 电子 传递 给Fe(III)氧化 物:( 4 )纳米导线辅助机制 , 即在特定条件下 某些铁还原 菌会 形成类似菌毛的导电附属物 , 细菌可 以纳米导线远距离 向固体 电子受体 ( 如铁氧化物 、 电极等 ) 传递 电子 , 从 而免除 了细 胞表 面与 电子受体的直接接触 , 有效增大 了反应面积 . 由于 电极是永久 性胞 外 电子受 体,不同于还 原后 消失 的Fe(Il1)氧化物 , 因此 , 电极还 原不存 在类似鳌合 剂促 溶 的机 制,而与后 3种Fe(III)氧化物 还原方式 相关. 例如,N e v i n等 在研究细菌还原 F e ( I I I ) 氧化物 的机制 时发现 , G e o t h r i x f e r - m e n t a n s 能分泌一种水溶性醌类 物质 , 这 种醌类 物质 可作为 电 子穿梭体加速 F e ( I I I ) 还原. 而在基于 G n 础眦 口的MF C研究中, 他们 同样发现细菌 可以 自身合成 介体 , 促进 细胞对 电极 的电子传递 ] . 但这两种介体是否同一物质, 有待进一步分离 鉴定.F o r b y 等研究ShewanellaoneidensisMR一1的纳米导线 时发 现,细胞色素 Mt r C和OmcA基 因缺 陷株 的纳 米导 线不能 导电 , 进而失去还原 F e ( I I I ) 氧 化物 的能力 , 同时 降低 在MF C 中的产电活性 , 说 明该菌可 利用导 电的纳米导 线 向电极或 F e ( I I I ) 氧化物传递 电子. 再如 , 地杆 菌属 ( G e o b a c t e r ) 细菌在还原 F e ( I I I ) 氧化物时并不产生 介体或鳌 合剂 , 但可 以利用细胞 色素 向Fe(III)氧化 物传递 电子.Me h t a 等 发现 , 两 种外膜 细胞色素 c, 即OmcS和 O m c E, 在GeobactersumiTedll~en$还原 难溶 F e ( I I I ) 氧化 物 中起着 重 要作 用. 敲除omcS基 因后 ,G . s u m r r e d u c e n s 丧失还原 F e ( I I I ) 氧 化物 的能 力,但能够继 续还 原可溶性 F e ( I I I ) . 而敲 除omcE的突变株 , 经过一段 时间培养 , 可缓慢恢复还原 F e ( I I I ) 氧化物的能力 , 但 较野生株 弱. 重新表 达两种蛋 白, 突变株 可再还原 F e ( I I I ) 氧化 物. 定量 R T . P C R分 析表明 , 相对于 以可溶性 的Fe(III)为电子受体 ,G s u l f u r r e d u - c e i l s 在MFC条件下 ( 即以电极为 电子受体 ) , o m c S 转 录水平增 加19倍 , 且omcS转录水平随 电流增大而增加 , 敲除 o m c S抑制 电流产生 . 在MF C条件 下,omsE转 录水 平也有所 提高 , 且OmsE基 因缺陷株经 过适应 性驯化 可逐 渐恢复产 电水平 , 但比野生株稍低. 尽管 O m c S和OmcE在 F e ( I I I ) 氧化物和 电极还原 中的具体 作用有待进一 步研究 , 但 上述 结果表 明,G .s u l f u r r e - d u c e n s 还原 r e ( I l 1 ) 氧化物 和电极时有相似 的机制 . 总之 , 大量研究证明 , 微 生物 电极还原 与Fe(III)氧化物异 化还 原具 有相似 机制 , 二者 相互借鉴 , 有 助于深入 理解 胞外电 子传递机制 . 3 基 于铁还原菌的 MF C研究 概况 目前报道 的基 于铁还原菌 的MF C , 大多无 需外加 介体 , 部 分菌还能从 电子传递过程 中获取生长所需 的能量 , 并以电极为 唯一 电子受体彻 底氧 化多 种有 机 电子供体 , 电子 回收 率较 高(表1).这类产 电微生物在 MF C应 用中有 两个优点 : 一是彻 底 氧化有机 物达 到较高 的能量转换率 ; 二是微生物从 电子传递过 程 中获取 生 长所 需 能量 , 实 现代 谢 活性 的 自我 维持 , 有利于MF C长期运行. 以下分别对报道过 的主要铁还原菌 MF C的特点及研究进 展进行 总结. 3 . 1 基于S.p u t r e f a c i e n s的MFCKim等 在研究 S .p u t r e f a c i e n s 代 谢乳 酸产 电时 , 最早提 出微生物能直接将 电子传递 到 电极 表面 的设想. 但S.putrefa-cwns在MF C中的生长时 , 大多数细胞处于游离状态 , 仅有少 量 细胞覆盖于 电极表面形成生物膜 , 因而容易随基质的更换而流 失. 当向 MF C中新鲜基质 中加入不 同浓度 的细胞 时,初始 电势 随浓度升高而增 大,与循 环伏 安法测 得的电化学 活性结 果一 致.推测 S .p u t r e f a c i e n依靠细胞表面的 电化学活性物质 ( 如 细胞色素 C) , 向电极传递电子. 由于 以电极为受体 时只能不完 全氧化有 限的 电子供体 , 如乳 酸、丙酮酸等 , 电子 回收率 较低 , 因而 , S .p u t r e f a c i e n s 并非理想 的MFC催 化剂 . 3 . 2 基于S.o n e i d e n s i s的MF C R i n g e i s e n等 在研究微型 MF C( 横截面积 2 . 0 c m , 体积 1 . 2 c m ) 时使用兼性厌氧菌 S .o n e i d e n s i s作为催 化剂 , 以乳 酸 为电子供体 , 按横截面积和 阳极体积计算最大输 出功率 密度分 别为3W/ m 、 5 0 0 W/ m , 但 电子 回收率低 于10%.S.o n e i d e n - s 向电极传递 电子 的机 制可 能包括 直接接 触机 制、电子穿 梭 机制 或纳 米导线辅助机 制,但3种机制对 电子传递 的贡献率并 维普资讯 http://www.cqvip.com 2期 张锦涛等 : 基 于铁还原菌 的微生物燃料 电池研究进展 2 9 3 未进一步研究. 微型MF C设计 能够有效 减少 扩散距离 , 增加单 位体积 的 阳极 表 面积 , 可有效 提高 功率输 出密度 , 但S.o r i e l — d e n s i s 利用 电子供体 ( 燃料 ) 的利用效 率过低 , 可考虑采 用其它 菌种提 高电子回收率. 表1已报道 的主要铁还 原菌燃料 电池概况 T a b l e 1 M i c r o b i a l f u e l c e l l s b a s e d o n F e ( I I I ) 一reducingbacteria}表示根据文献 中的数据计算或估算 T h e d a t a f o l l o w e d }a r e c a l c u l a t e d o r e s t i ma t e d b a s e d o n t h e d a t a i n r e f e r e n c e s 3 . 3 基于 G .s u l f u r r e d u c e n s 的MF C G s 托F F e d I I ~ e l Z $ 是最 早 报道 的, 能 够直 接 利用 电极 还原的能量生长的微生物 . 基 因组序列 信息的阐 明,有利于深入 了解 细胞 与 电极 表 面相 互作 用 的机 制,G s r r e d u — c e l z $ 已成为 目前产电代谢研究 中的热点微生物. 基于 G s u @F F e d l t c e l z $的MF C主要 依靠 附着 在 阳极 上的细胞传递 电子 . 激 光共 焦扫 描显微 观察 发现,随着 输出电流增强 , 阳极表面覆盖 的细 胞数量 增加 , 逐渐 形成 由多层 细 胞组成 的高度结构化 的生物膜 . 对不 同电流下 阳极生物膜 的生 物量分析表 明, 电流强度和 生物量线形 正相 关. 当达到最 大输 出电流 时, 生物膜平 均厚 度为 4 0 I x m . 活性染 色观察发 现,生物 膜 中离 电极表面较远的细胞仍具有产 电代谢 活性 , 并且参与对 电极的 电子传递 , 这些细 胞远距 离传递 电子与其表面导 电的菌 毛有关. 这些长约 2 0 I x m的菌毛相互交错 缠绕 , 构成 渗透 在生 物膜 中的" 纳米 电网", 有效促进 了远距离 的电子传递 . G s r r e d u c e n s 菌毛缺陷株不能还原 F e ( I I I ) 氧化物 J , 但可转化乙酸产 电,电流输 出较野 生株弱 J . 活性染 色观察 表明,只有紧靠 阳极 电极表面 的缺 陷型细胞具 有产 电活性 ] , 推 测这些 细胞能够 通过外膜细胞色素 c, 如OmcS,向电极传递 电子.G5rreducens在沉 积环 境中还原 F e ( I I I ) 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 F e ( I I I ) 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 F e ( I I I ) 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 的方法有可能能很大程度 提高微 生物还原电极的能力. 3 . 4 基于R.[ e r r i r e d u c e n s的MF C R . f e r r i r e d u c e n s 是最早报 道的 能将 葡萄 糖 的彻 底 氧化 与Fe(III)还原偶联 的兼性厌 氧微 生物 . 其他许 多铁还 原菌 , 如Geobacteraceae中的一些种 属,虽然能直接 向电极 传递 电子 , 但 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 . 而R.ferrireducens能以电极 为 唯一 电子受体直 接氧化葡 萄糖 、 果糖、蔗糖 、 木糖 等生 成CO,并从 电子传递 中获得生长所需 的能量. 当以葡萄糖 为电子供体 时 电子 回收率可 达81%[201.R . f e r r i r e d u c e n s 最适 生长温 度为 2 5℃ , 但在4℃下仍能 生 长并 还原 F e ( I I I ) , 它在低 温下 还原 电极的能力 未作 报道,有待 进 一步 考察. 基于R.f e r r i r e d u c e n s 的MFC具有蓄 电池 的特 点,如反复充 放 电时其蓄 电能力 无明显减弱 , 充 电快 速,储存较长时 间电池性 能保持稳定 等. 3 . 5 基于 D .p r o p i o n i c u s的MF C D . p r o p i o n i c u s 是最早发现 的能从难溶性 F e ( I I I ) 氧化 物还 原 中获取 生长 所需 能量 的硫 酸盐 还 原菌 . 它是Desulfobul—baceae的代表种 , 其主要代谢方式是通过不完 全氧化有机 酸如 乳酸 、 丙酸、 丁酸和 乙醇 等异化 还原硫 酸盐. 当缺乏 电子受 体时,还能通过琥 珀酸 一丁酸途径 发酵乳 酸、丙酮酸或 乙醇 生成 乙酸和丙酸的混合物. 在MF C中,D.p r o p i o n i c u s 能够 以乳酸 、 丙酸 、 丙酮 酸或氢为电子 供体,向电极 传递电子 并维持生维普资讯 http://www.cqvip.com 应用与环境生物学报ChinJA p p l E n v i r o n B i o l l 4卷长.根据反应物和产物 的化学平衡计算 , 以丙酮 酸盐 为 电子 供体 时,D. p r o p i o n i c u s 还原电极 的同时还进行 丙酮酸发酵 , 同 以难溶 F e ( I I I ) 氧化 物为 电子 受体 时 的混 合代 谢类 似. 因此 , MF C电子回收效率较 低,仅有 2 6 . 4 % 的丙酮 酸代谢 与 阳极 电 子传递偶联. 更 换新 鲜基 质,MF C能够 迅速恢 复 电流 输 出水 平,说明附着在 电极表 面 的细胞 在 阳极 电子传递 中起 主要 作用. 由于不能利用 乙酸作为 电子供体 , 一般 认为 D .p r o p i o n i c u s 在海水 S MF C电极还原中不会起 重要作用 . 但底泥 中的硫化 物 可被 电极 非生 物 氧化 产生单质 硫,沉淀在 燃料电池 阳极表 面,而D. p r o p i o n i c u s 能够将硫 氧化成硫 酸盐并 向电极传递 电子 . 因此 , 在含硫化 物丰 富的环境 中, 可形成 电极非 生物 还原与由 D .p r o p i o n i c u s 催化的生 物还原 并存 的MF C . 此 发现 丰富了对海水 S MF c生物产 电机制 的认识. 3 . 6 基于G..r,珊口的MFCGfermentan~是从石油 污染 的铁还 原环境 中分 离 的严格 厌氧菌 , 能以 F e ( I I I ) 为 唯一 电子 受体彻底 氧化多种 简单 有机 酸 和棕榈酸 , 是最早报 道的淡水 环境 中能够通过 F e ( I I I ) 还原氧化长链脂肪酸的微生物 . 它 以电极 为唯一 电子受体时 , 能 够彻底氧化 乙酸 、 琥珀酸 、 苹果 酸、乳酸 、 丙酸等简单有机酸 , 而 以乙酸为 电子供体时 的电子 回收率可高达 9 4 %. 研究表明 ,G . f e r m e n t a n s 还原 电极时 , 采取 了类 似还原难 溶性 F e ( I I I ) 氧化物 的策 略——合成介体加速 电子传递至 不溶 性胞外 电子受体 . 但更 换 阳极 室 中的基 质,MF C可保 持近 5 0 %的产 电能力 , 并 且在 新基 质 中数 周 内未检 测到 电子 穿梭 体,说明覆盖在电极表面的细胞可能以某种 方式 阻止 介体 释放 到基质中或者这些细胞能直接 向电极表 面传递电子 . 3 . 7 基于 G .e l e c t r o d i p h i l u s 的MF C H o l me s 等 从海水 S MF C阳极表面分离到两株独特 的耐 寒细菌 G .e l e c t r o d i p h i l u s A 1 和A2,可在 4℃时生长 , 并能还原 多种可溶和难溶 F e ( I I I ) . 以可 溶性 F e ( I I I ) 为电子 受体时 , 可 氧化多种有机酸 、 氨基酸 、 长链脂肪酸 、 芳香族化合物 .& e l e c — t r o d i p h i l u s 在MF C中能彻底 氧化 的有 机酸 包括 乙酸 、 苹果 酸、延胡索酸和柠檬酸等 , 电子 回收率在 9 0 %左右.A l 和A2的 1 6 S r R N A序列 与SMF C阳极表 面主 导 电子传 递 的微 生 物有 9 0 % ~9 7 %的相似性 , 说明 金electrodiphilusr在海水 S MF C电极还原 中起 主要 作用 . 考虑到其在低 温海 底 环境 中生长 的优 势,G.e l e c t r o d i p h i l u s 可作为模 式菌 , 深入研究海水底泥燃料 电池中微生物与 电极的相互作 用机制 , 优化 电极还原 能力 , 以推 动SMF C在驱动偏远海域传感器 中的应用. 4 研究展望 基 于铁还原菌 的MF C无需外 加介体 , 可利用 多种有 机物 作 为燃料 , 能量转化率高 , 具有很高 的研究及应用 价值 . 但 目前 为止 , MF C转化燃料 的速 率过低 , 输 出功 率有 限,是制约 实际 应用 的瓶颈. 筛 选能够快 速转化有 机物产 电的铁还 原菌 , 已成 为推动 MF C发展的迫切需要. 筛选适于 MF C的铁还原菌 主要 有以下 3种途径 : 1 ) 直接 从运 行 良好 的MF C阳极分离 , 分离时应尽量使用难溶 F e ( I I I ) 氧 化物作 为电子受体 , 并使 生理条 件(如pH、 温度 、 电子供体 等)接近原生境 ;2 ) 借鉴 F e ( I I I ) 氧 化物还原的研究 成果 , 考察 相关铁还 原菌 的电化学活性 , 也是 获得优 良MF C菌种 的重要途径 ; 3 ) 通过基 因工 程构建高效产 电菌株 . 目前 , 铁还原菌 MF C在 电化学优化方面 的研究较 为落后. 今后应结合铁还原菌基 因组 和 电极 还原机制 等方面 的研 究成 果,改进 电池构造 , 采用 特殊 电极材料 , 优 化运行参数 , 推动铁 还原菌 MF C应 用研 究的快速发展. 此外 , 考 察如何有 效利用发 酵细菌与铁还原菌 的协 同效应 , 扩 大燃 料利用谱 , 提高 MF C在 生活污水 、 畜禽粪便 、 淀粉废水 等有机 废弃 物处理领域 的应用 潜力,也将有效加快 MF C投入实际应 用 的步伐. R e f e r e nc e s l L o g a n BE.En e r g y d i v e r s i t y b r in g s s t a b i l i t y .En v i r o n S c i T e c h n o l ,2 0 0 6, 4 0( 1 7) : 5 1 6 l 2 L o g a n BE,Ge n e r a t i n g e l e c t r i c i t y f r o m wa s t e wa t e r t r e a t me n t p l a n t s . Wa — t e r E n v i r o n R e s , 2 o o 5 , 7 7( 3 ) : 2 l l 3 L o g a n BE. S i mul t a n e o u s wa s t e wa t e r t r e a t me n t a nd b i o l o g i c a l e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n .W a t e r S c i T e c h n o l , 2 o o 5 , 5 2( 】~ 2 ) : 3 1~3 7 4 P a r k DH .Z e i k u s J G.I mp r o v e d f u e l c e l l a n d e l e c t r o d e d e s i g n s f o r p r o · d u c i n g e l e c t r i c i t y f r o m mi c r ob i a l d e g r a d a t i o n .Bi o t e c h Bi o e n g, 2 0 0 3,8 1 ( 3 ) : 3 4 8~3 5 5 5 C h e n g S,L j u H ,L o g a n B E、I n c r e a s e d p o we r g e n e r a t i o n i n a c o n t i n u o u s f l o w MF C wi t h a d v e c t i v e f lo w t h r o u g h t h e p o r ou s a n o d e a n d r e d u c e d e — l e c t r od e s p a c i n g .En v i r o n S c i T e c h n o l ,2 0 0 6,4 O:2 4 2 6~2 4 3 2 6 Oh S E,L o g a n BE.P r ot o n e x c h a n g e me mb r a n e a n d e l e c t r o d e s u r f a c e a t - e a s a s f a c t o r s t h a t a f fe c t p o we r g e n e r a t i o n i n mi c r o b i a l f u e l c e l l s .Bi o t e c h Pr o d Pr o c ~s En g,2 o o 6,7 O:1 6 2~ 1 6 9 7 C h e n g S,Li u H ,L o g a n B E、P o we r d e n s i t i e s u s i n g d i f f e r e n t c a t h o d e c a t - a ly s t s( P t a n d C o T MP P )a nd p o l y me r b i n d e r s ( N a t i o n a n d P , r F E ) i n s i n g l e c h a mb e r mi c r o b i a l r u e l c e l l s . En v & o n S c i T e c h n o 1 . 2 0 0 6.4 0: 3 6 4 ~3 6 9 8 Gi l GC,C h a n g I S,Ki m BH ,Ki m M ,J a n g J K ,P a r k HS,Ki m HJ .Op — e r a t i o n a l p a ra me t e r s a f f e c t i n g t h e p e r f o r ma n c e o f a me d i a t o r · - l e s s mi c r o bi - · a l f u e l c e l 1 .Bi o s e a s Bi o e l e c t r o n.2 o o 3.1 8:3 2 7~3 3 4 9 Ra b a e y K,B o o n N,S i c i l i a n o S D,Ve r h a e g e M ,Ve r s t r a e t e W .Bi o f u e l c e l l s s e l e c t f o r mi c r o b i a l c o n s o ~ i a t h a t s e r f- me d i a t e e l e c t r o n t r a n s f e r . p l E n v i r o n Mi e r o b i o l , 2 0 0 4, 7 0 ( 9 ) : 5 3 7 3~5 3 8 2 1 0 Ra b a e y K,B o o n N,Ho f le M,Ve r st r a e t e W . Mi c r o b i a l p h e n a z i n e p r o— d u c t i o n e n ha n c e s e l e c t r on t r a n s f e r i n b i o f u e l c e l l s .En v i r o n S c T e c h n — o l ,2 0 0 5,3 9:3 4 01~3 4 0 8 l l Ki m BH ,Pa rkHS,Ki m HJ ,Ki m G. T,C h a n gI S,L e e J,P h u n gNT. En r i c h me n t o f mi c r ob i a l c o mmu n i t y g e n e r a t i n g e l e c t r ic i t y u s i n g a f u e l — c e l l — t y p e e l e c t r o c h e mi c a l c e l 1 .A p pl M i c r o b i o l Bi o t e c h n o l ,2 0 0 4,6 3: 6 7 2 ~6 8l l 2 Ba c k J H, Ki m MS, C h o H ,Ch a n g I S,L e e J,Ki m KS,Ki m BH, P a rk YI .Ha n YS . C o n s t r u c t i o n o f b a c t e r i a l a r t i f ic i a l c h r omo s o me l i — b r a r y f r o m e l e c t r o c h e mi c a l mi c r o o r g a n i s ms . FE MS Mi c r o b i o l L e t t , 2 0 o 4.2 3 8:6 5~7 0 1 3 T e n d e r L M , Re i me r s CE, S t e c h e r l I I HA , Ho l me s DE, Bo n d DR, L o w y DA,P i l o b e l l o K,F e r t i g S J,Lo v l e y DR. Ha r n e s s i n g mi c r ob i a l l y g e n e r a t e d p o we r o n t h e s e a f l o o r .Na t Bi o t e c h n o 1 .2 0 0 2,2 0:8 2 1~8 2 5 1 4 Bo n d DR,Ho l me s DE,Te n d e r LM ,L o v l e y DR. E l e c t r o d e — r e d u c i n g mi c r o o r g a n i s ms t h a t h a r v e s t e n e r g y f r o m ma r in e s e d i me n t s . S c i e n c e , 2 o o 2.2 9 5: 48 3 ~4 8 5 1 5 Ho l me s DE,Bo n d DR,ONe i l RA,Re i me r s CE,Te n d e r L R ,Lo v l e y DR. Mi c r ob i a 1 c o mmu n i t i e s a s s o c i a t e d wi t h e l e c t r o d e s h a r v e s t i n g e I e c — t r i c i t y f ro m a v a r ie t y o f a q u a t i c s e d i me n t s .Mi c r o b Ec o 1 .2 0 0 4. 4 8:1 78 ~ l 9 O 1 6 B o n d D R,L ov l e y D R.E l e c t r i c i t y p r od u c t i o n b y G e o b a c t e r s u l f u r r e d u - c e n $a t t a c h e d t o e l e c t r od e s .A p p l En v i r o n M i c r o b i o Z .2 0 0 3. 6 9:1 5 48~ 维普资讯 http://www.cqvip.com 2期 张锦 涛等:基于铁还原菌的微生物燃料电池研究进 展295155517PhamCA.J u n g S J .Ph u n g NT,L e e J,C h a n g I S,Ki m B H ,Yi H , C h u n J .A n o v e l e l e c t r o c h e m i c a l l y a c t i v e a n d F e ( I I I ) - r e d u c i n g b a e t e - r i u m p h y l o g e n e t i c a ll y r e l a t e d t o A e r o mo n a s h y d r o p h i l a,i s o l a t e d f r o m a mi c r o b i a l f u e l c e l 1 .FE MS M i c r o b i o l L e t t .2 0 0 3.2 2 3:1 2 9 ~1 3 4 1 8 P a r k HS,Ki m BH,Ki m HS,Ki m HJ ,Ki m GT,Ki m M ,Ch a n g I S, P a r k Y K,C h a n g H I .A n o v e l e l e c t r 0 c h e m i c a l l y a c t i v e a n d F e ( I I I ) 一re—ducingbacteriu m ph y l o g e n e t i c a ll y r e l a t e d t o Cl o s t nd i u m b u t y r i c u m i s o - l a t e d f r o m a mi c r o b i a l f u e l c e l 1 .An a e r o b e .2 0 01 ,7:2 9 7~3 0 6 1 9 Ki m B H ,Ki m HJ,Hy u n MS,P a rk DH. Di r e c t e l e c t r o d e r e a c t i o n o f F e ( I I I ) - r e d u c i n g b a c t e r i u m, S h e w a n e U a p u t r e f a c i e n s .J Mi c r o b i o l B i o — t e c h o l ,1 9 9 9,9:1 2 7~1 31 2 0 Ch a u d h u r i S K,L o v l e y DR.El e c t r ic i t y g e n e r a t i o n b y d i r e c t o x i d a t i o n o f g l u c o s e i n me d i a t o r l e s s mi c r o b i a l f u e l c e l l s .Na t Bi o t e c h n o l , 2 0 0 3,2 1: 1 2 2 9~ 1 2 3 2 2 1 H o l m e s DE, B o n d D R.L o v l e y D R.E l e c t r o n t r a n s f e r b y D e s u l f o b u l b u s p r o p i o n i c u s t o F e ( I I I )a n d g r a p h i t e e l e c t r o d e s . A p p l E n v i r o n Mi c r o b i o l , 2 0 0 4. 7 0( 2) : 1 2 3 4~1 2 3 7 2 2 Ri n g e i s e n BR, He n d e r s o n E,W u P K ,P i e t r o n J , Ra y R, Li t t l e B, B i f f i n g e r J C , J o n e s—Me e h a n J M.Hi g h p o we r d e n s i t y f r o m a mi n i a t u r e mi c r o b i a l f u e l c e l l u s i n g S h e wa n e U a o n e i d e n s i s DS P1 0. E n v i r o n S c i T e c h n o l ,2 0 0 6,4 0:2 6 2 9~2 6 3 4 2 3 Bo n d DR ,l o v l e y DR. Ev i d e n c e f o r i n v o l v e me n t o f a n e l e c t r o n s h u t t l e i n e l e c t r i c i t y p r o d u c t i o n b y G e o t h r i x f e r m e n t a n s .A p p l E n v i r o n Mi c r o b i - o l , 2 0 0 5 , 7 1( 4 ) : 2 1 8 6~ 2 1 8 9 2 4 Ho l me s DE.Ni c o l l J S.B o n d DR .L o v l e y DR.P o t e n t i a l r o l e o f a n o v e l p s y c h r o t o l e r a n t me mb e r o f t h e f a mi l y Ge o b a c t e r a c e a e,Ge o p s y c hr o b a c t e r e l e c t r o d i p h i l u s g e n . n o v .,s p . n o v. ,i n e l e c t r i c i t y p r o d u c t i o n b y a ma - r i n e s e d i m e n t f u e l c e l 1 . A p p l E n v i r o n Mi c r o b i o l , 2 0 0 4, 7 0( 1 0 ): 6 0 2 3 ~ 6 0 3 0 2 5 L o g a n BE,Re g a n J M. El e c t r i c i t y — p r od u c i n g b a c t e r ia l c o mmu n i t i e s i n m i c r ob i a l f u e l c e l l s .T r e n d s Mi c r o b i o l , 2 0 0 6 ,1 4 ( 1 2) : 5 1 2~ 5 1 8 2 6 Re i me r s CE,Te n d e r L M ,F e r t i g S,W a n g W . Ha r v e s t i n g e n e r g y f ro m t h e ma r i n e s e d i me n t . wa t e r i n t e r fa c e .En v i r o n S c i T e c h n o l ,2 0 01,3 5: 1 9 2~1 9 5 2 7 S h a n t a ra m A .Be y e n a l H .Ve l u c h a my RR A .L e wa n d o ws k i Z.W i r e l e s s s e n s o r s p o ' ~ e r e d b y mi c r o b i a l f u e l c e l l s . En v i r o n S c i T e c h n o l ,2 0 0 5, 3 9:5 0 3 7 ~5 O 4 2 2 8 L o v l e y D R .B u g j u i c e : Ha r ve s t i n g e l e c t r i c i t y w i t h m i c r o o r g a n i s ms .N a t R e v Mi c r o b i o Z ,2 o o 6,4:4 9 7~5 0 8 2 9 Va r g a s M ,Ka s h e f i K,B l u n t—Ha r r i s EL,L o v l e y DR.Mi c r ob i o l o g i c a l e v i d e n c e f or F e ( I I I )r e d u c t i o n o n e a rl y e a r t h .N a t u r e , 1 9 9 8 , 3 9 5: 6 5 ~ 6 7 3 0 Ho n gY G ( 洪义 国),G u o J( 郭俊),x u z c( 许 志诚 ) ,C e n Y H ( 岑英华) ,S u n G P( 孙 国萍) .B a c t e r i a l a n a e r o b i c r e s p i r a t i o n s r e l a t . e d t o a n a e r o b i c b i o t r a n s f or ma t i o n o f p r i o r i t y p o l l u t a n t s .C h i n J A p p l En - v i r o n B i o l( 应用与环境生物 学报 ) , 2 0 0 6 ,1 2( 6 ): 8 7 8~8 8 3 31 L o v l e y DR,S t o l z J F,No r d GL,P h i l l i ps EJ P . An a e r ob i c p r o d u c t i o n o f ma g n e t i t e b y a d i s s i mi l a t o r y i r on — r e d u c i n g mi c r o o r g a n i s m. Na t u r e , 1 9 8 7,3 3 0:2 5 2 ~2 5 4 3 2 Me h t a T,Co p p i MV ,Ch i l d e r s S E, L o v l e y DR. Ou t e r me mb r a n e c . t y p e c y t o c h r om e s r e q u i r e d f o r F e ( I I I )a n d Mn ( I V)o x i d e r e d u c t i o n i n G e o b a c t e r s u F F e d u c e n $ . A p pl En v i r o n Mi c r o b i o l , 2 0 0 5 ,7 1 ( 1 2) : 8 6 3 4 ~8 6 41 3 3 Bu t l e r J E,Ka u f ma n n F,C o p p i MV ,Nu n e z C,L o v l e y DR. Ma c A.a d i h e m e c - t y p e c y t o c h r o me i n v o l v e d i n F e ( I I I )r e d u c t i o n b y G e o b a c t e r s u r r e d u c e n s .J B a c t e r i o l , 2 0 0 4, 1 8 6( 1 2 ) : 4 0 4 2~4 0 45 3 4 L e a n g C. C o p p i MV, L o v l e y DR. Omc B,a c - t y p e p o l y h e me c y t o — c h r o m e . i n v o l v e d i n F e ( I I I )r e d u c t i o n i n G e o b a c t e r s u l f u r r e d u c e n s .J B a c t e r i o Z , 2 0 0 3 ,1 8 5 ( 7 ) : 2 0 9 6~2 1 0 3 3 5 L o v l e y DR ,F r a g a 儿,Bl u n t - Ha r r is EL,Ha y e s L A ,Ph i l l i p s E J P, C o a t e s J D. Hu mi c s u b s t a n c e s a s a me d i a t o r f or mi c r ob i a l l y c a t a ly z e d me t a l r e d u c t i o n .A c t a H y d r o c h H y d r o b ,1 9 9 8, 2 6 ( 3 ) :1 5 2~1 5 7 3 6 N e wma n DK.Ko l t e r R.A r o l e f or e x c r e t e d q u i n o n e s i n e x t r a c e l l u l a r e . 1 e c t r o n t r a n s f or .Na t u r e .2 O o o.4 0 5:9 4~9 7 3 7 G o r b y YA.Ya n i n a S,Mc L e a n J S,Ro s s o KM ,Mo y l e s D,Do h n a l k o v a A ,B e v e r id g e T J,Ch a n g I S,Ki m B H ,Ki m KS,C u l l e y DE,Re e d S B, Ro mi n e MF,S a f f a r i n i DA,Hi l l EA,S h i L,El i a s DA ,Ke n n e d y DW , P i n c h u k G ,W a t a n a b e K,I s h i i S,L o g a n BE,Ne a l s o n KH ,F r e d r i c k — s o n J K. El e c t r ic a ll y c o n d u c t i v e b a c t e r ia l n a n o w i r e s p r o d u c e d b y S h e - wa n e Ua o n e i d e n s i s s t r a i n MR一1andothermi c r oo r g a n i s ms . PNA S. 2 0 0 6. 1 0 3 ( 3 0) :l 1 3 5 8~l 1 3 6 3 3 8 N e v i n K P,L o v l e y DR .Me c h a n i s ms f or a c c e s s i n g i n s o l u b l e F e ( I I I ) o x i d e d u r i n g d i s s i m i l a t o r y F e ( I I I )r e d u c t i o n b y G e o t h r i x f e r m e n t a n s . A p p l E n v i r o n Mi c r o b i o 1 .2 o o 2.6 8:2 2 9 4 ~2 2 9 9 3 9 Ne v i n KP.L o v l e y DR. L a c k o f p r o d u c t i o n o f e l e c t r o n . s h u t t l i n g c o n. p o u n d s o r s o l u b i l i z a t i o n o f F e ( I I I ) d u r i n g r e d u c t i o n o f i n s o l u b l e F e ( I I I ) o x i d e b y G e o b a c t e r m e t a U i r e d u c e n s .A p p l E n v i r o n Mw r o b w l , 2 0 0 0.6 6:2 2 4 8 ~2 2 51 4 0 Ho l me s DE,Ch a u d h u f i S K,Ne v i n KP,Me h t a T,Me t h 6 B A ,Li u A , W a r d J E,W o o d a r d T L,W e b s t e r J ,L o v l e y DR.Mi c r o a r r a y a n d g e n e t i c a n a l y s i s o f e l e c t r o n t r a n s f e r t o e l e c t r o d e s i n G e o b a c t e r s u l f u r r e d u c e n s . E n v i r o n. 】 I f i c r o b i o Z . 2 0 0 6 , 8 ( 1 0) : 1 8 0 5~1 8 1 5 41 P a rk DH ,Z e i k u s J G. I mp a c t o f e l e c t r o d e c o mp o s i t i o n o n e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n i n a s i n g l e — - c o m p a r t me n t f u e l c e l l u s i n g S h e w a n e l l a p u t r e f a - c i e n s .A p p l Mi c r o b i o l Bi o t e c h n o l ,2 o o 2,5 9: 58~61 4 2 Ki m HJ,P a rk HS,Hy u n MS,Ch a n g I S,Ki m M ,Ki m BH.A me d i a — t o r — l e s s mi c r o b i a l f u e l c e l l u s i n g a me t a l r e d u c i n g b a c t e r iu m .S h e wa n e 1 . 1 a p u t r e f a c i e n s .E n z y m eMi c r o b T e c h , 2 0 0 2 , 3 0: 1 4 5~1 5 2 4 3 Me t h e B A ,Ne l s o n KE,E i s e n J A,P a u l s e n I T,Ne l s o n W ,He i d e l b e r g J F,W u D ,W u M ,W a r d N, B e a n a n MJ , Do d s o n R J,Ma d u p u R, B r i n k a c L M , Da u g h e r ty S C, De Bo y R T, Du r k i n AS, Gwi n n M , K o l o n a y J F,S u l l i v a n S A,Ha f t DH ,S e l e n g u t J ,Da v i d s e n TM ,Z a f a r N ,W h i t e O,Tr a n B,Ro me r o C,F o r b e r g e r HA ,W e i d ma n J ,Kh o u r i H ,F e l d b l y u m T V, Ut t e r b a c k TR, Ak e n S E V , L o v l e y DR, F r a s e r CM. Ge n o me o f G e o b a c t e r s u F F e d u c e a s :Me t a l r e d u c t i o n i n s u b s u r fa c e e n v i r o n me n t s .S c i e n c e .2 0 0 3. 3 0 2:1 9 6 7 ~1 9 6 9 4 4 Co p p i MV,L e a n g C,S a n d l e r S J ,L o v l e y DR.De v e l o p me n t o f a g e n e t . i c s y s t e m f 0 r 0 6 口ersu札"ce船. 铆zr0n慨 r 0 6 0 z , 2 o o 1 , 6 7( 7 ): 3 1 8 0~ 3 1 8 7 4 5 Re g u e r a G,Ne v i n KP,Ni c 0 U J S,C 0 v a l l a S F,W o 0 d a r d T L, L 0 v l e y DR. Bi o 6 l m a n d n a n 0 wi r e p r 0 d u c t i 0 n l e a d s t 0 i n c r e a s e d c u r r e n t i n ( I 6 0 " e r s u r , d Ⅱ c e f u e l c e l l s .铆zEnrDn慨 r 0 6 0 z ,2 0 0 6, 7 2 ( 1 1 ) : 7 3 4 5~ 7 3 4 8 4 6 Re g u e r a G,Mc Ca nh y KD,Me h t a T,Ni c 0 U J S,Tu 0 mi n e n MT,L 0 v l e y DR. E x t r a c e U u l a r e l e c t r ( 】 n t r a n s f e r v i a mi c r ( 】 a l n a n 0 wi r e s . ￡ u r e. 2 0 0 5.4 3 5:1 0 9 8一l101 4 7 Fi nn e r a n KT,J 0 h n s e n CV,I J o v l . y DR.尺0dq,.I.,,d"cersp.n0v.,a p s y c h mt 0 l e r a n t ,f a c u l t a t i v e l y a n a e r ( 】 c b a c t e r i u m t h a t 0 x i d i z e s a c e t a t e w i t h t h e r e d u c t i 0 n 0 f F e ( I I I ) . ￡ . , J s 跏Z,2003,53:669~6 7 3 4 8 C 0 a t e s J D, E l l i s D J ,Gf d w C V,L U v l . y D R. 0 加,er,n￡0船n.n0v.,s p . N 0 v . , a n 0 v e l ( I I I ) 一reducingbacteumflmmahydr0car_b0 n - c 【 ) n t a mi n a t e d a q u i f e r . ￡ . , 口0 c 把0Z,1 9 9 9, 4 9:1 61 5~ 1 6 2 2 维普资讯 http://www.cqvip.com