(3)微生物燃料电池在更多领域的更多应用

①微生物燃料电池处理餐厨垃圾

餐厨垃圾是一种固液混合，化学成分十分复杂的有机混合物。其处理过程中会产生极大量的有机化合物和盐类[10]。运用燃料电池来进行处理的研究仍处于初级阶段，这一课题仍有很大的探讨价值。餐厨废水中含有各种容易堵塞管道的有机物和悬浮物。

因此，在处理餐厨垃圾的时候，有必要重视餐厨废水的处理。不同于一般的生活垃圾，餐厨垃圾中有大量可能影响微生物生命活动的因素，如油脂等。另外，餐厨垃圾中的固体残渣也会影响微生物燃料电池的产电效能。目前，对餐厨废水的处理的研究还处于初级阶段。因此，加大力度解决这方面的问题将成为人类解决污染问题的一个方向。

②微生物燃料电池传感器对土壤中重金属的检测

MFC传感器检测的原理是对MFC产生的电流或者电压进行分析进而检测各项指标。这种传感器成本较低，原理简单。其能在复杂体系中进行在线连续监测，并且可直接利用微生物作用产生的电信号来监测信息，不需转换器。但这种方法也有其缺陷，目前MFC传感器只能检测指定的重金属离子，对含有多种未知浓度的金属离子的样品，不能做到准确检测，特异性低。

鉴于此，提高灵敏度、构建特异性MFC传感器、增加MFC稳定性和恢复能力以及开发可降低MFC构造成本等多方面将成为未来MFC传感器改进的方向。对MFC与金属离子的相关作用机制进行深入研究将促进MFC感器在实际应用中，特别是污染土壤应用方面的推广。随着对MFC技术的深入研究，相信一定能够得到响应快、灵敏度高、价格低廉的MFC传感器。

3.结论与展望

微生物燃料电池是当前背景下最具有发展潜力的环境友好型科技，其在多种场合下都可以产生不俗的效益。但其缺陷也同样较为明显，应用范围暂时不甚广泛，效率仍稍显较低等。综上，如何寻找最大化MFC效益的途径将是新世纪科技发展的重要方向之一。

[1]王一豪.土壤重金属污染及治理修复技术[J].环境与发展,2019,31(2):87-89.

[2]王苗苗,孙红文,耿以工,等.农田土壤重金属污染及修复技术研究进展[J].天津农林科技,2018(4):38-41.

[3]陈文艳,耿庆芬,王燕,等.重金属污染土壤的植物修复及植物联合修复研究进展[J].广东化工,2020,47(2):87-88.

[4]赵晴,季民,王志勇,等.沉积物微生物燃料电池研究进展[J].2018(第六届)中国水生态大会论文集,2018:15.

[5]ABBAS S Z,RAFATULLAH M,ISMAIL N,et al.A review on sediment microbial fuel cells as a new source of sustainable energy and heavy metal remediation:mechanisms and future prospective:Sediment microbial fuel cells as a new source of sustainable energy[J].International Journal of Energy Research,2017,41(9):1242-1264.

[6]ALIPANAHI R,RAHIMNEJAD M.Effect of different ecosystems on generated power in sediment microbial fuel cell[J].International Journal of Energy Research,2018,42(15):4891-4897.

[7]宋欣欣.土壤重金属污染现状及修复技术分析[J].资源节约与环保,2019(4):122.

[8]黄永芳.浮床植物—沉积物微生物燃料电池系统对底泥的修复研究[D].华南理工大学,2014.

[9]张伟贤.零价铁强化剩余污泥MFC有机污染物降解及产电效能[D].哈尔滨工业大学,2017.

[10]吴玥弢,仲伟周.城市化与大气污染—基于西安市的经验分析[J].当代经济科学,2015,37(03):71-79+127.

东北大学秦皇岛分校本科生创新创业重点支持项目（ZD2014）

孙琦铭（2000-），男，浙江象山人，本科，东北大学秦皇岛分校；研究方向：环境科学。

1.绪论随着我国经济持续快速发展，人民的生活水平日益提高，但同时也伴随着严重的污染问题。土壤污染已成为我国面临的比较棘手的问题，我们的工农业生产和生活离不开土壤这一重要的自然资源，而土壤重金属污染是土壤污染问题中比较严重的一部分，我国部分地区土壤生态环境遭到严重破坏，生态修复工作复杂，给我国的生态环境保护带来极大的挑战，同时，作为生产资源的土壤被重金属污染后，也阻碍我国经济社会的持续健康发展。目前市场上主流的修复方法大致分为三种：物理修复、化学修复、生物修复[1-2]。物理修复方便快捷，如换土法，但此种方法往往只是转移了污染，而无法彻底解决污染的问题。化学修复容易造成土壤中化学试剂的残留，进而引发土壤的二次污染，或是改变重金属在土壤中的形态，也未真正实现重金属的去除。为了应对这种问题，微生物燃料电池作为一种兼具底泥净化和产电功能的新型电池便顺理成章的跃入了人们的视野，其具有成本低、易操作、环境友好等优点，是一种治理受重金属污染农田的新技术。2.微生物燃料电池的现状(1)海水沉积型微生物燃料电池阳极区域的微生物群体通过降解沉积物中的有机物质产生电子并传递给阳极，电子再通过外电路传递给阴极，与阴极区域可以接触氧气，电子与其附近的氧气相结合，构成完整的氧化还原反应，从而完成化学能向电能的转化[4]。SMFC作为一种新型的燃料电池系统，其在新能源领域的研究备受青睐[5]。沉积型微生物燃料电池内发生氧化还原反应，因此可以利用沉积型微生物燃料电池分别在阳极发生氧化反应、阴极发生还原反应的特点处理底泥及水体的污染。另外，某些异养微生物具有氧化还原作用，其作用可以改变土壤中重金属元素的价态，将土壤中的重金属污染物转化为低毒或无毒，进而实现土壤修复[7]。微生物修复技术具有修复成本低、可再生、无二次污染等优点，具有较好的生态效益[6]。(2)植物复合型燃料电池沉积型微生物燃料电池（Sediment Microbial Fuel Cell，SMFC）是在传统微生物燃料电池的基础上改良而来的新型绿色能源技术，其多应用于自然环境中，因反应器结构简单，更接近实际应用，极具开发价值，SMFC由埋入缺氧的底泥中的阳极和悬浮在有氧的上层水中的阴极相连接构成[3]，①植物种类对产电性能的影响植物根系不仅可以提供碳源，还会产生可以影响产电性能的氧气。水生植物可将氧气输送至根尖，这些生成的微量氧气可以构成一个氧化态微环境。根据Strik等人的研究可以得知：植物被引入微生物燃料电池基于两个确定的结论：一是分泌的氧气可以加速有机物分解；二是根际有机物可以促进电流的产生。Strik等用湿地植物水甜茅构建的产电系统最大功率密度达到67mW/m2，并首次提出植物型微生物燃料（Plant MFCs，PMFCs）概念。Timmers等研究发现，加入植物后电流密度能达到之前的18倍。黄永芳[8]基于美人蕉和风车草两种浮床植物构建P-SMFC系统，对比研究二者根系分泌能力和产电能力，发现风车草的根系分泌能力比美人蕉更强，且产电能力与根系分泌能力具有一致性，同时，可抑制底泥中重金属向上覆水中排放。LiuMl等科学家曾分别测量白天和夜间电池产电量的差别，结果发现峰值差距可达200mV左右，而无植物时却没有类似的规律。由此可以看出，植物根部分泌的氧气会极大程度影响电池的产电性能，而不同植物分泌氧气的能力又有较大差别。②纳米铁对P-SMFC产电性能的影响植物根系在阳极附近并为SMFC阳极提供根系分泌物，根系分泌物被微生物氧化产生电子传递给阴极，这样就将植物光合作用和SMFC的产电结合起来，同时，NZVI具有较强的还原性（E0=-0.44V），能与氧化性的物质发生反应，而且其粒径较小，比表面积大，对于难降解的有机污染物有着极强的降解能力，可以促进SMFC阳极传质。对比研究发现，运行期间Fe-SMFC的电压和电流高于SMFC，SMFC电压峰值和电流峰值分别为38mV、0.04mA，Fe-SMFC的电压峰值和电流峰值分别为126mV、0.126mA，其中Fe-SMFC的电压、电流峰值要远高于SMFC组，这说明NZVI的加入可有效增强SMFC的电压、电流输出，NZVI对沉积物微生物燃料电池产电性能的提高主要源于强化有机物质的去除，为阳极产电微生物提供了更多的可利用有机物底物[9]，增强了产电微生物的活性，因此应用NZVI的反应器有助于有机物降解和生物发电，经NZVI修饰的阳极杆菌、放线菌等细菌群落的丰富度增加，因为NZVI可以提供适合细胞生长的条件。NZVI的添加提高了SMFC反应器的输出电压、电流，降低了其表观内阻，但却降低了其功率密度；NZVI对P-SMFC输出电压、电流的影响大致和SMFC相同，但其输出功率更低，而且内阻高于单纯的SMFC反应器。(3)微生物燃料电池在更多领域的更多应用①微生物燃料电池处理餐厨垃圾餐厨垃圾是一种固液混合，化学成分十分复杂的有机混合物。其处理过程中会产生极大量的有机化合物和盐类[10]。运用燃料电池来进行处理的研究仍处于初级阶段，这一课题仍有很大的探讨价值。餐厨废水中含有各种容易堵塞管道的有机物和悬浮物。因此，在处理餐厨垃圾的时候，有必要重视餐厨废水的处理。不同于一般的生活垃圾，餐厨垃圾中有大量可能影响微生物生命活动的因素，如油脂等。另外，餐厨垃圾中的固体残渣也会影响微生物燃料电池的产电效能。目前，对餐厨废水的处理的研究还处于初级阶段。因此，加大力度解决这方面的问题将成为人类解决污染问题的一个方向。②微生物燃料电池传感器对土壤中重金属的检测MFC传感器检测的原理是对MFC产生的电流或者电压进行分析进而检测各项指标。这种传感器成本较低，原理简单。其能在复杂体系中进行在线连续监测，并且可直接利用微生物作用产生的电信号来监测信息，不需转换器。但这种方法也有其缺陷，目前MFC传感器只能检测指定的重金属离子，对含有多种未知浓度的金属离子的样品，不能做到准确检测，特异性低。鉴于此，提高灵敏度、构建特异性MFC传感器、增加MFC稳定性和恢复能力以及开发可降低MFC构造成本等多方面将成为未来MFC传感器改进的方向。对MFC与金属离子的相关作用机制进行深入研究将促进MFC感器在实际应用中，特别是污染土壤应用方面的推广。随着对MFC技术的深入研究，相信一定能够得到响应快、灵敏度高、价格低廉的MFC传感器。3.结论与展望微生物燃料电池是当前背景下最具有发展潜力的环境友好型科技，其在多种场合下都可以产生不俗的效益。但其缺陷也同样较为明显，应用范围暂时不甚广泛，效率仍稍显较低等。综上，如何寻找最大化MFC效益的途径将是新世纪科技发展的重要方向之一。【参考文献】[1]王一豪.土壤重金属污染及治理修复技术[J].环境与发展,2019,31(2):87-89.[2]王苗苗,孙红文,耿以工,等.农田土壤重金属污染及修复技术研究进展[J].天津农林科技,2018(4):38-41.[3]陈文艳,耿庆芬,王燕,等.重金属污染土壤的植物修复及植物联合修复研究进展[J].广东化工,2020,47(2):87-88.[4]赵晴,季民,王志勇,等.沉积物微生物燃料电池研究进展[J].2018(第六届)中国水生态大会论文集,2018:15.[5]ABBAS S Z,RAFATULLAH M,ISMAIL N,et al.A review on sediment microbial fuel cells as a new source of sustainable energy and heavy metal remediation:mechanisms and future prospective:Sediment microbial fuel cells as a new source of sustainable energy[J].International Journal of Energy Research,2017,41(9):1242-1264.[6]ALIPANAHI R,RAHIMNEJAD M.Effect of different ecosystems on generated power in sediment microbial fuel cell[J].International Journal of Energy Research,2018,42(15):4891-4897.[7]宋欣欣.土壤重金属污染现状及修复技术分析[J].资源节约与环保,2019(4):122.[8]黄永芳.浮床植物—沉积物微生物燃料电池系统对底泥的修复研究[D].华南理工大学,2014.[9]张伟贤.零价铁强化剩余污泥MFC有机污染物降解及产电效能[D].哈尔滨工业大学,2017.[10]吴玥弢,仲伟周.城市化与大气污染—基于西安市的经验分析[J].当代经济科学,2015,37(03):71-79+127.

文章来源：《植物遗传资源学报》 网址: http://www.zwyczyxbzz.cn/qikandaodu/2021/0616/709.html

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