概要微生物燃料电池（microbial fuel cells，MFCs）需要将有机物或无机物的化学能转化成为电能，在管理污染的同时也获取电能，在修缮污染环境和生物产电方面具有很好的前景。通过文献调研方法，系统阐述了国内外微生物燃料电池在环境污染管理方面的研究及应用于情况，分别从重金属污染、有机污染、非重金属无机污染等方面阐述了微生物燃料电池在土壤修复方面的应用于，并且从电极材料、大小、间距、排序方式、外阻和土壤性质等方面阐释其影响因素，最后探究了微生物燃料电池的应用于前景和不足之处。近年来, 能源紧缺和环境污染问题沦为世界注目的焦点, 我国经济高速发展，也于是以面对着能源短缺和环境污染的极大压力, 中国能源环境方面的问题特别是在引人注目。我国正处于工业化的上升期, 能源供需矛盾愈演愈烈。按照目前的能源消费和生产速度, 预计至2020年我国将面对极大的能源缺口, 最少还必须109 t标准煤。而研究找到, 2050年我国若要超过美国2002年人均装机容量的一半水平, 还必须电力装机2.4×109 kW, 而我国充分发挥常规能源发电的仅次于能力也仅有能获取1.7×109 kW电力, 距美国人均的一半还有30%的缺口。同时, 土地污染问题引发了普遍注目, 能源紧缺与环境污染问题已沦为我国亟待解决的2大主要矛盾。传统的土壤污染修缮方法以物理、化学修缮方法居多, 如换土法、热处理法、电动修缮法、淋溶法等。物理、化学修缮法从后期的修缮效果和实用性上看，见效快，针对性强劲, 但能耗大，成本高，且后期重复使用和处置不存在较小艰难, 二次污染若处理不当则不会导致更加不利的土壤污染。学者们仍然致力于在减少修缮污染土壤成本的同时又会产生次生污染, 还能产生充足的能源来承托整个社会和经济发展方面的研究, 微生物燃料电池(microbial fuel cells, MFCs)给解决问题能源紧缺和环境污染之间的对立带给了曙光。MFCs具备电池效率高、反应条件保守、生物相容性好、无污染等特点, 在修缮污染土壤的同时还能产生电能, 为生产和生活获取能源。1 微生物燃料电池的修缮原理微生物燃料电池(MFCs)是一项以电极表面的产电细菌为催化剂, 把储存于化合物中的化学能转化成为电能的技术。在阳极微生物的催化作用上升解法有机物(葡萄糖、乙酸、醋酸盐、乳酸盐、丁酸盐及污染废水，如食品废水、生活污水、养猪废水、化工废水、啤酒废水等)，产生电子和质子, 产生的电子传递到阳极, 经外电路抵达阴极, 由此产生外电流; 产生的质子通过质子互相交换膜(PEM)抵达阴极, 在阴极与电子、氧化物(铁氰化钾、氧气、空气、硝酸盐等)再次发生还原成反应, 从而已完成电池内部的电荷传送。依据微生物的营养类型分类, MFCs可分成异养型MFCs、光能异养型MFCs和沉积物型MFCs。光能异养型MFCs指MFCs中的光能异养菌利用光能及碳源为底物; 异养型MFCs指厌氧菌利用有机物作为底物产生电能; 沉积型MFCs指微生物利用沉积物与液相之间的电势差产生电能。如图1右图, MFCs按外形分类, 可分成单室MFCs、双室MFCs和三室MFCs。一般单室MFCs库仑效率较低, 而双室MFCs结构比较非常简单, 相似于化学燃料电池, 必须一张质子膜将阳极室和阴极室隔开出去, 更容易转变运营条件, 且库仑效率高。目前的双室MFCs又分成矩形式、双瓶式、平盘式及升至流式等。MFCs在环境修缮方面的应用于范围更加大, 应用于前景也更加甚广。英国植物学家POTTER于1911年明确提出利用微生物作为燃料电池催化剂这一概念。MFCs应用于污水的处置技术早已日益成熟期, 目前研究者企图将MFCs应用于海底的沉积污泥、生活污水和有机污泥的处置, 同时必要取得电能, 从污水净化到厨余垃圾处理, 再行到污染土壤修复。MFCs对污染土壤的修缮刚跟上, 还正处于大大研究和探寻阶段。2 修缮污染土壤的应用于进展土壤污染按污染类型可分成有机污染、重金属污染、非重金属无机污染3种污染类型。传统的土壤污染修缮方法以物理、化学修缮方法居多, 如换土法、热处理法、电动修缮法、淋溶法等。新型的修缮技术则以新型纳米材料和超强富含植物、微生物修缮居多。近年来, MFCs也渐渐从污水、垃圾管理改向污染土壤和沉积物的管理。2.1 有机污染土壤有机污染土壤以石油烃、多环芳烃、苯酚、氮杂环化合物、农药化肥中的菲和芘、二苯并噻吩等污染居多。近年来, 涉及研究者渐渐认识到MFCs修缮有机污染土壤的效率受限, 而其内部产生的各种细菌对提升治污效率有独有起到, 阳极表面产电细菌的种类和数量多少关系着整个体系的运行状况, 从而使MFCs体系中的细菌沦为研究热点。YU等找到MFCs的产电细菌富含在阳极表面, 以地杆菌属居多。MFCs产电量和多环芳烃去除率都随着电极间距的增大而减小, 在4~10 cm电极间距范围内, 由于电流性刺激了产电细菌的生长, 产电细菌数量极其丰富。邓欢等研究找到MFCs需要明显减少甲烷废气。在水稻生长过程中, MFCs产生的电流量和土壤甲烷废气通量都在分粟期逐步超过峰值, 并且运营MFCs明显减少了苗期和分粟期甲烷积累废气通量, 这个现象有可能与活跃的产电菌和产甲烷菌竞争土壤有机底物有关。研究者们从找到阳极表面富含产电细菌这一规律开始, 就对产电细菌如何影响水解效率展开了更加精细的探寻。HU等对微生物群落厌氧污泥展开驯养富含, 在几个月内提升阳极室的产电菌数量, 减少其他厌氧发酵微生物的构成过程。MFCs对每种氮杂环化合物底物的COD去除率分别为90.4%和88.5%。除了对污泥展开驯养富含来减少产电细菌数量外, 必要加到一系列菌剂, 通过新陈代谢提升生物降解也是一个好方法。ADELAJA等用于最佳菌剂厌氧消化污泥与铜绿假单胞菌(MCP), 菲水解率为27.30 μm·d-1, 仅次于功率密度为1.25 mW·m-2, 菲的COD去除率为65.6%。除了与其内部的各种细菌密切相关外, MFCs修缮有机污染土壤另一个关键技术是提高底物有机质含量, 而不受石油污染的土壤、底泥、沉积物中含有大量有机质, 需要为MFCs体系的持续运营获取动力, 减轻了体系动力严重不足的对立, 因此修缮石油污染环境亦沦为研究的众多热点。MORRIS等对沉积物MFCs展开了测试, 以确认电子从不受污染的沉积物厌氧区移往到上悬有氧水可以增进和强化有氧的总石油碳氢化合物(TPH)的水解。经过大约66 d的实验, 开路掌控泥沙MFCs和泥沙活跃MFCs总石油烃的水解亲率分别为2%和24%。因此, 将MFCs技术应用于修缮污染沉积物, 可以使天然生物降解能力提升近12倍。WANG等找到石油污染物水解亲率和土壤含水率也有一定关系。他将U型土壤MFCs放入石油污染盐碱土壤, 并研究其修缮效果, 找到当减少土壤含水量时, 石油水解菌活性受到生物电流的性刺激, 土壤的电阻显著增大, 大于1 cm深度的土壤中总石油烃水解亲率减少120%。为减少底物中的有机质, LI等加到葡萄糖作为系统的一个基质, 实验指出土壤MFCs的电荷输入提升262%, 总石油烃水解亲率与未加到葡萄糖比起提升200%。学者们对MFCs异位修缮有机污染土壤展开研究的同时, 也对污染土壤或沉积物的原位修缮展开了探寻, 找到有机污染物的厌氧水解一般比好氢条件下慢。针对有机污染物对氧气土壤的原位修缮起到, 建构了插入式土壤MFCs, 并将其放入积水土壤中, 以提升苯酚的生物降解性, 同时产生电能。闭路操作者条件下, MFCs运营10 d后, 苯酚去除率为90.1%, 但在开路和非MFCs条件上升解率分别仅有为27.6%和12.3%。在闭路条件下, 苯酚每天的水解速率常数为0.390, 大约为非MFCs条件下的23倍。2.2 重金属污染土壤随着有色金属的冶金、矿山的铁矿以及各种金属制品的激增, 预示大气下陷、污水灌溉、农药用药、金属废弃物的堆满, 土壤重金属污染面积更加大，污染更加相当严重，污染成分也更加简单。重金属以其在土壤中无以水解、毒性强劲、具备累积效应等特征受到科学家们的普遍注目。土壤重金属污染物来源普遍, 类型也多种多样, 主要的重金属污染物有铜、锌、镍、铬、砷、铁等。MFCs最先是用来管理污水中的铬污染, 对污水中铬的还原作用也各有不同。WANG等在间歇模式下利用MFCs技术对Cr6+污染废水展开处置, 利用制备的Cr6+废水作为阴极, 厌氧微生物作为阳极催化剂, ρ(铬)为100 mg·L-1的废水在150 h内铬被几乎除去(初始pH值为2), 这项实验证实了产电和铬还原成同步进行的可能性。MFCs修缮含铬污水的成功经验让学者们生根了将MFCs用作管理铬污染土壤的点子并证明了其可行性。HABIBUL等研究了MFCs修缮有所不同浓度铬污染土壤的效果，找到最低去除率平均99%, 且铬的去除率随污染土壤中初始铬浓度的减少而减少。此外, 除了初始铬浓度的影响, 土壤类型和外部电阻都对铬污染的除去效率有有所不同程度的影响。WANG等通过实验证明了土壤类型和外部电阻对电流效率和铬的去除率皆有明显影响, 增加外部阻力才能提升重金属铬的去除率。而红色土壤创建的MFCs与潮土比起展现出出有较高的除去效率和较强的电流效率, 这意味著红色土中有可能所含更好的电子受体，能与Cr6+再次发生还原成反应。含铬污水的管理和铬污染土壤的修缮有很多相似之处, 可以糅合含铬污水的管理经验改良MFCs对铬污染土壤的修缮, 从而确保MFCs修缮铬污染土壤的持续有效性。此外, 铜污染废水和土壤中铜的重复使用利用亦受到很多学者的注目。有所不同学者建构的MFCs体系也不存在差异。印霞棐等设置了电极材料和阳极底物分别为石墨和有机废水, 厌氧菌种为厌氧活性污泥, 阴极液为含铜废水, 从而建构了双室MFCs反应器。MFCs对含铜废水的平均值水解亲率平均80%左右, 尤其是倒数MFCs对铜离子的水解亲率最低平均99%以上。梁敏等则以剩下污泥为阳极底物, 硫酸铜溶液为阴极溶液建构了双室MFCs, 对铜污染展开管理, 剩下污泥中铜离子去除率约97. 8%。实验证明其阴极最后的还原成产物与阴极还原成能力的高低密切相关, 阴极还原成力较强时, 大部分铜离子被还原成为氧化铜, 小部分铜离子以Cu4(OH)6SO4形式两县。而阴极还原成力较强时, 大部分铜离子被还原成为单质铜, 大于部分铜离子被还原成为氧化铜。WANG等通过实验获得的仅次于电压为539 mV, 仅次于力量密度为65.77 MW·m-2, 证明铜的迁入、发电和土壤pH值以及电极值的变化密切相关。除了铬和铜污染土壤外, 铁、铅、锌和镉污染土壤也受到学者们的普遍注目。CHEN等将三室MFCs的系统设计应用于不受锌和镉污染的水稻土修缮, 经过78 d的运营, 除去锌12 mg和镉0.7 mg, 这指出电流产生的MFCs能明显除去土壤中的重金属。HABIBUL等找到微生物在土壤中通过水解有机物产生电能, 土壤中镉和铅浓度在修缮后由阳极向阴极渐渐减少。经过大约143和108 d的运营, 镉和铅在阳极的去除率分别为31%和44.1%。土壤性质(如pH值和土壤电导率)也新的产于, 从阳极到阴极经常出现顺序排列。MFCs产生的电能与微生物水解有机物有关, 而其水解还原成速率影响着水解效率。HEIJNE等回应做到了了解探究。他们将双极膜与铁还原成结合, 石墨作为阴极电极创建了MFCs系统, 仅次于功率密度为0.86 W·m-2, 回收率为80%~95%, 库仑效率和能量为29%, 并通过实验证明铁可以通过质子互相交换从双极膜中共轭除去, 阴极的氧还原成速率是MFCs性能的容许因素。2.3 非重金属无机污染土壤非重金属无机污染以各种酸、碱、盐类、硫化物和卤化物等污染居多, 主要是由大气下陷和污水灌溉等途径转入土壤。硫化物不仅不会风化建筑物和雕塑, 毁坏文物古迹, 还不会影响人体身体健康和农作物生长, 也不会构成酸雨, 以降水形式转入土壤, 危害人体身体健康和农作物的安全性, 土壤中硫化物堪称无法自行水解, 危害十分相当严重且持续时间较长。ZHAO等对土壤中硫的水解展开研究, 用填充阳极(活性炭布+碳纤维纱)设置了MFCs, 从22 ℃废水中除去1.16 g亚硫酸盐和0.97 g硫代硫酸盐, 去除率分别为91%和86%。在处置含硫废水的基础上, 张海芹等从泥水比、外接电阻、投加有机质含量以及曝气量等几个方面的工艺参数对沉积物MFCs展开优化, 获得拟合工艺条件为1:1泥水比、500 Ω外接电阻、0.3 g·L-1氯气乙酸钠投加量和0.25 L·min-1的曝气量。
