海底沉积物微生物燃料电池

二、 海底沉积物微生物燃料电池

海底沉积物微生物燃料电池（sedimentmicrobial fuel cell，SMFC）是海洋微生物电化学系统的一种，它以海底沉积物中的有机物为燃料，以石墨电极（或铂电极）和金属导线等为媒介，利用附着在阳极表面的微生物在厌氧条件下将有机物氧化，产生的电子首先被微生物传递到阳极然后通过外电路到达阴极，从而形成电子回路产生电流（图10-4）。

图10-4　海洋微生物燃料电池工作原理

1. SMFC工作原理

海底沉积物中富含大量的有机质和无机化合物，包括腐殖质、小分子糖类等多种含碳化合物以及硫化物、多种金属化合物等。

海底沉积物微生物燃料电池的阳极表面附着有大量细菌，这些细菌在阳极表面形成一层微生物膜。在这些细菌的影响下，海洋环境中的海水及沉积物表面形成一个电势差，海底沉积物微生物燃料电池就是利用这一电势差在原位输出电能。附着在阳极表面的细菌本身就存在于沉积物中，以底泥中有机物质作为电池的燃料，对电池的电流输出过程起生物催化的作用。

与传统的微生物燃料电池不同，海底沉积物微生物燃料电池的装置在海水与沉积物的界面之间工作，海水中溶解氧与沉积物中的有机物质均是天然的，并且可以得到自然的持续补充。因此海底沉积物微生物燃料电池是一种新型的免维护的能源装置，与其他微生物燃料电池相比具有很大优势，可以为海洋上的检测仪器如温度监测仪器、盐度监测仪器、湿度监测仪器等提供能源。

2.海洋微生物与SMFC效率的关系

海洋底泥中常见的细菌是变形菌门、拟杆菌门、放线菌门和厚壁菌门的细菌及其他一些未定名的类群。用分子生物学方法分析海底沉积物微生物燃料电池阳极微生物菌群表明，常见阳极产电细菌种类除了地杆菌、希瓦氏菌等模式菌种外，还包括另外一些细菌如脱硫叶菌科（Desulfobulbaceae）、嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）和假单胞菌（Pseudomonas）等，这几类产电细菌为异养型可培养兼性厌氧菌，需要腐殖质等介质的介导来产电。其中β-变形菌纲、δ-变形菌纲和拟杆菌门的菌种能在电极上大量富集，是电极上的优势菌群，适应在微生物燃料电池的阳极表面附着。拟杆菌门细菌的代谢途径具有多样性，能进行发酵。有报道称这种代谢的多样性会造成底物的浪费，因此拟杆菌属的存在可能会降低电量的输出。但这种猜测至今未得到证实。

海底沉积物微生物燃料电池输出的电能至少来自以下两个阳极反应：沉积物中有机物质的氧化和硫化物（或者其他还原性无机物）的氧化。其中被氧化的无机物是在微生物分解沉积物中的有机物过程中产生的。在接种产电细菌实验中，研究表明添加醋酸盐可导致产电细菌G.metallireducens 67h形成致密的微生物膜，电流达到1.6mA，但添加醋酸盐显著降低了海底沉积物微生物燃料电池菌群的多样性。在俄勒冈州的滨海和纽约盐沼地区两个地点的海底沉积物微生物燃料电池现场实验中，实验阳极表面富集的微生物种类主要属于地杆菌科。相同类型的海底沉积物微生物燃料电池在亚奎纳湾运行以后，电极表面铁元素和硫元素的含量分别增加了400倍和20倍。种群分析结果表明δ-变形菌是优势菌种，主要为硫还原菌；硫化物（主要是FeS 和FeS2）是细菌用来产电的主要底物来源。在深海冷泉底泥环境中，阳极表面沉积了分布并不均匀的大量硫单质，阻碍了产电细菌在阳极表面的附着及电子的传递，这是电池性能在工作一段时间后下降的直接原因。由此可见，海底沉积物微生物燃料电池受沉积物代谢的影响，其长期工作的持续和稳定性还有待进一步的研究。

3. SMFC应用实例

与实验室条件下的SMFC相比，现场实验由于要考虑自然条件下的可操作性而变得复杂。美国海军研究实验室Tender等人首先在两个不同的水域进行了实际海洋实验，并考查了其持久性和对沉积物化学成分的影响，为SMFC的实际应用提供了基础。

环境监测和海洋调查具有长期持续性，为了满足这一要求，所使用的传感器要具有低耗能性，这就为SMFC在这方面的应用提供了可能。采用SMFC为传感器供电，可以解决传感器寿命受其电池寿命限制和更换电池困难等一系列问题。到目前为止，已经有在自然环境中使用SMFC为传感器供电的报道。Tender等人第一次将SMFC用作可进行空气温度、压力、相对湿度和水温等监测的气象浮标（平均能耗为18mW）的电源，如图10-5所示。与此同时，他们还不断改进电池的构造来提高SMFC的性能同时降低成本，到目前为止其已经发展到了第三代。

图10-5　第一代基于SMFC的海洋浮床数据采集器

【注释】

[1]本章由严群、孔青、刘占英、牟海津编写。