微生物燃料电池生物传感器在环境监测中的应用及其研究进展

张宏伟，郑雅文，王 捷，，郭幸斐

（1.天津工业大学中空纤维膜材料与膜过省部共建国家重点实验室，天津300387；2.天津工业大学环境与化学工程学院，天津300387）

微生物燃料电池生物传感器在环境监测中的应用及其研究进展

张宏伟1，郑雅文2，王 捷1，2，郭幸斐2

（1.天津工业大学中空纤维膜材料与膜过省部共建国家重点实验室，天津300387；2.天津工业大学环境与化学工程学院，天津300387）

微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）是一种能够将化学能直接转化为电能的装置.由于其产生的电信号可以直接反映微生物的新陈代谢活动并能实现在线监测，因此MFC在生物传感器领域中迅速发展.MFC生物传感器可利用MFC产生的电流或电压作为电信号对被分析物进行分析测量，具有灵敏度高、监测速度快、操作简便、可在线连续监测等优点.本文简述了微生物燃料电池生物传感器的工作原理和在环境监测中的研究进展，并对其发展前景作了预测和展望.

微生物燃料电池；生物传感器；环境监测；在线监测

微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）作为一种以微生物作为阳极催化剂将化学能直接转化为电能的装置[1]，可以同时处理污染物并产生电能，具有高转化率、低污染、安全可靠等优点，受到了各国研究者的高度关注.微生物燃料电池最早在20世纪60年代被研发出来[2]，分为单室和双室2种类型.传统的双室MFC由厌氧室和好氧室组成，单室MFC由厌氧室和空气阴极组成[3].微生物在厌氧的环境中生长，通过氧化分解有机物产生质子和电子，质子和电子通过微生物作用转移到阳极，再分别通过分隔膜和外闭合回路到达阴极，与好氧室中的高电极电势物质（通常是氧气）结合生成水.近年来，由于MFC在技术和成本方面的限制，使其在实际应用方面遇到了瓶颈，例如，MFC构建成本较大，难以在工程中进行扩大应用，MFC产生的电流极弱无法被充分利用等.如何充分利用MFC产生的微弱电能，日渐成为MFC技术领域中一个新的研究热点，尤其是在能源供需矛盾日益突出的今天，其对缓解经济发展与能源短缺之间的矛盾有很大的助益.生物传感技术最早由Clark和Lyon两位学者在1962年研发出来[4]，如今已成为世界各国学者研究的热潮.因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低及在复杂体系中能进行在线连续监测，使生物传感技术在近十年来获得蓬勃而高速的发展，并在大量的实际应用中展露锋芒.例如从监测公共卫生、环境生态、食品安全以及国土安全等[5-9]到国民经济的各个部分，如食品、医药、化工、生物医学等，都证明了生物传感技术具有广阔的应用前景.由于MFC产生的电流可以进行在线监测，因此MFC可作为一种利用电流作为传感信号的生物传感器，并且无需转换信号的中间媒介.微生物燃料电池生物传感器相比于其他不同种类的生物传感器，具有明显的优势，具有小型化、可携带性、实时监测以及不需要额外试剂测试步骤等等，这些优点[10]都在MFC生物传感技术中得以实现.同时，微生物燃料电池生物传感器能够在处理废水的同时利用电信号进行生物传感，充分利用了MFC产生的微弱电能并且实现了废水处理在线监测，具有一定的实际应用价值.因此，微生物燃料电池生物传感技术具有很好的综合性、稳定性及能源回收性，应用前景广阔.本文较为全面地概述了近几年MFC生物传感器在环境监测领域中的研究现状及应用进展，以期为将来的研究工作提供一定的参考和借鉴.

1 微生物燃料电池生物传感技术原理

生物传感是指将生物识别元件与理化转换器相结合，利用其识别被分析物的浓度并产生一种可测量的信号的一种分析手段[11]，是发展生物技术必不可少的一种先进的监测方法与监控方法.生物传感器的工作原理首先由生物敏感材料作识别元件（包括微生物、酶、细胞、核酸、抗体等生物活性物质）识别目标物质，再由转换器将生物识别后的响应转换成一个可测量的信号，最后利用测量方法（包括电化学法、物理法、光学法、声学法等）监测被分析物的浓度.与传统的分析方法相比，生物传感器技术具有以下特点：①体积小，响应快，准确度高，可实现连续在线监测；②一般不需进行样品预处理，使整个测定过程简便快捷，实现自动分析；③成本低于大型分析仪器.微生物燃料电池能够通过微生物的作用产生电信号，可将其直接作为生物传感器中可测量的电信号，无需物理或化学的转换器，并同时具备上述生物传感器的特点，是一种易操作的在线监测生物传感器.微生物燃料电池生物传感器的类型分为两种，分别是单室微生物燃料电池生物传感器和双室微生物燃料电池生物传感器.

（1）伏安法.伏安法是生物传感技术电信号分析法中的最常见的通用方法，同样适用与微生物燃料电池生物传感器.伏安法可以同时记录电流和电势的变化，且电流的峰值与目标化学物质相关联，峰值的电流密度与目标化学物质的浓度呈比例关系，具有高度的敏感性.伏安法不仅可以监测一种目标物质，而且能同时监测分析多种化学物质.当监测多种化学物质时，会出现不同的电位峰值.

（2）电流分析法.电流分析法是微生物燃料电池生物传感器应用中常用的方法，原理是电流的变化会与目标分析物的浓度变化相关联[12].引起电流变化的原因是微生物通过氧化或还原作用或新陈代谢作用分解目标物质，产生质子和电子并分别通过分隔膜和外闭合回路传递到阴极电极上，形成敏感的电流变化.如果目标物质是有毒性的化合物，它可改变微生物燃料电池内微生物的代谢途径，抑制代谢作用从而改变了电流的产生.因此，微生物燃料电池生物传感器可通过电流分析法应用在监测和分析某目标化学物质.

（3）电势分析法.电势分析法也是微生物燃料电池生物传感器应用中的方法之一，原理是利用稳定且精准的参比电极产生的电势与微生物燃料电池的电极产生的电势之间的势能差值测量分析目标化学物质的变化情况.电势分析法有高度的敏感性和选择性，然而对参比电势的稳定性及持续性要求颇高，这也限制了电势分析法的实际应用范围.

综上所述，利用MFC工作原理开发生物传感器关键在于：①电池产生的电流或电荷与污染物浓度之间呈良好线性关系；②电池电流对污水浓度响应速度较快；③有较好的重复性.

2 微生物燃料电池生物传感器在环境监测中的应用

2.1 水质分析监测

2.1.1 生化需氧量监测

生化需氧量（BOD）是衡量水体有机污染程度的重要指标，BOD的研究对水质监测和处理都是非常重要的，此研究也成为水质监测科技发展的方向.传统的BOD测试方法操作繁琐，所需时间长，准确度差，不能满足实时监测的要求.经多位研究者证明，微生物燃料电池可作为监测BOD浓度的生物传感器，相比于最常见的测试方法——5天生化需氧量（BOD5），MFC生物传感器克服了BOD测试方法中的耗时、耗人力、不精确等问题[13]，成为能够代替BOD生物传感的首选技术，能够实现实时监测的要求[14].在针对监测BOD浓度的微生物燃料电池生物传感器中，BOD浓度能够与MFC产生的电荷量或电流呈线性关系.实验方法通常为，对MFC阳极中的微生物采取分批饲养，测量电流的峰值大小可表征阳极中的微生物氧化分解有机物的速率.理论上，越高的BOD浓度会产生越高的电流强度，然而这只是在某一程度上是成立的.在先前的研究中，BOD浓度和电流的线性关系在较低的BOD浓度区间上是成立的[15]，这是由于按照莫诺方程理论，微生物基质的利用率存在一个饱和的状态，超过了这个状态，不会产生更高的电流值.在Kim学者的研究中，BOD质量浓度测定范围选择在0～520 mg/L，在206 mg/L以下的BOD浓度与产生的电流值呈线性关系[16]. Modin学者在研究BOD的微生物燃料电池传感器过程中（如图1所示），采用无膜单室MFC作为传感器，用乙酸盐培养基培养MFC中微生物，BOD质量浓度测试范围选定在32～1 280 mg/L，320 mg/L以下的BOD浓度与产生的电流呈线性关系（R2=0.99），能够进行传感作用的BOD浓度范围相比于之前的研究有所提升[17].此外，Modin学者还研究了MFC的不同碳源培养基对BOD浓度传感的影响.Modin学者所选用的碳源包括乙酸盐、丙酸盐、葡萄糖和乙醇，得到结论为丙酸盐、葡萄糖和乙醇作为MFC碳源时产生的电流峰值比乙酸盐作为碳源时的低，而且以乙酸盐为碳源时得到的BOD浓度与电流峰值的线性关系曲线为校准曲线，其他3种物质做碳源时，会导致传感器低估BOD浓度的现象发生.

图1 MFC生物传感器测量BOD装置图Fig.1 Schematic diagram of MFC biosensor for BOD

综上所述，利用微生物燃料电池分析测量一定范围内的BOD值具有良好效果.随着BOD快速测定研究的不断深入，BOD值可作为在线监测生物处理过程的一个重要参数.因此，微生物燃料电池可作为实时在线监测BOD浓度的电化学生物传感器，并具有一定的实际应用价值和应用前景.

2.1.2 化学需氧量监测

化学需氧量（COD）常常作为衡量水体有机物质含量多少的指标，也可作为表示水中还原性物质多少的一个指标，通常的测定方法有重铬酸钾法、高锰酸钾法、分光光度法、快速消解法以及快速消解分光光度法.然而，这些常用的测定方法都需要一定的测量时间并且耗费一定的人力.生物传感技术可实现实时在线监测COD浓度，利用微生物燃料电池作为COD浓度的传感器也逐渐成为人们关注的热点.Lorenzo学者对MFC作为COD浓度的传感器进行了深入研究[13]，装置图如图2所示.

图2 MFC生物传感器测量COD装置图Fig.2 Schematic diagram of MFC biosensor for COD

文献[13]不仅讨论了各种不同参数对MFC传感作用的影响，也验证了MFC对COD浓度传感效果.此研究采用单室连续流MFC进行生物传感，首先针对进料速率和水力停留时间（HRT）对稳定电流值和库伦效率（CE）的影响做了探讨，随着进料速率和HRT的增大，稳定电流值和CE逐渐提高，但进料速率和HRT存在一个临界值，超过了这个临界值，稳定电流值和CE无明显变化，最终得到最佳进料速率为0.46 cm3/ min，停留时间（HRT）为108 min，COD负荷率为0.221 mg/（h·cm2），稳定电流值为0.26 mA，CE为6%±1.2%；第二阶段讨论了MFC外接电阻对稳定电流值和响应时间的影响，外接电阻越大，稳定电流值越小，响应时间也越长，因此在MFC作为生物传感器时要选用较小的外接电阻，Lorenzo学者确定最佳外接电阻阻值为50 Ω；在确定了最佳的操作运行参数后，第三阶段进行了MFC生物传感器对COD浓度的监测分析，研究结果表明一定范围内的COD质量浓度（0～350 mg/L）与MFC产生的稳定电流峰值呈线性关系（R2=0.96），所得结果与其他研究结果相比较，可传感的COD浓度略有提高[18]，并多次验证了不同COD浓度下MFC的响应性；最后，为了验证MFC生物传感器的性能，Lorenzo学者利用MFC对未知COD浓度的真实废水进行了传感实验，利用真实废水培养MFC后得到的稳定电流值通过上述线性拟合曲线计算出对应的COD浓度，再用标准的COD测试方法测定COD浓度，所得的结果几乎相同，并提出MFC生物传感器可用于监测膜生物反应器的出水COD值，具有一定的应用价值.因此，通过上述实验结果可充分证明MFC传感COD浓度的可行性及可靠性，大量此类的研究[19-24]也证明了监测COD浓度的MFC生物传感器优于其他类型的传感器，具有广阔的发展潜力和空间.

微生物燃料电池还可与人工神经网络（ANNs）方法相整合，进行实验室和实地的水样监测.人工神经网络是一种运算模型，利用其能够降低在MFC传感过程中受到MFC物理性质参数、水质化学性质和污染物利用率的影响，提高MFC传感性能的准确性.Feng等[25]利用MFC与ANNs结合对COD浓度进行传感，最低可分析测量5 mg/L的COD质量浓度，具有高度的准确性[25].而且，ANNs运算模型结合MFC传感器能够有效地计算出环境中的水样的COD浓度，并充分解释说明MFC电信号的响应峰值的多样性以及其与基质浓度之间的关系，但ANNs需要使用者定期更新模型中的数据.MFC-ANNs结合传感器被称为敏捷的传感器，具有一定的发展前景.

2.2 溶解氧监测

溶解于水中的分子态氧称为溶解氧（DO）.水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个重要指标，也是在进行水处理过程中的关键参数.微生物燃料电池生物传感器可对水体中溶解氧的浓度进行在线监测，准确并快速地监测出水体中溶解氧的含量.Zhang等[26]设计了如图3所示的实验装置，对微生物燃料电池传感水体中溶解氧浓度做了研究.实验采用一个浸没式的MFC，分别在不同的溶解氧浓度下进行MFC的培养，MFC产生的电流随溶解氧的浓度变化而变化，并呈现线性关系（R2=0.991 2）.同时对影响MFC传感性能的一些影响因素，例如外接电阻、环境温度、液体pH等，也做了讨论，选择好最佳的操作条件的浸没式微生物燃料电池可测量室外真实废水的溶解氧含量，具有高度敏感性，快速响应能力以及准确性等优点，能够实时、定量地监测环境中不同的水体.

图3 MFC生物传感器测量DO装置图Fig.3 Schematic diagram of MFC biosensor for DO

2.3 毒理分析监测

MFC阳极室中的生态环境稳定，微生物能够在已适应的环境中有效地进行生物降解作用并同时产生电流.如果在阳极室中加入毒性物质，微生物适宜的环境受到破坏，则微生物会大量死亡，并伴随着MFC产电性能的大幅度下降的现象发生.因此，MFC可作为一个毒性报警装置，用于废水处理系统中进水的实时监测.Shen等[27]在实验中，向一个运行稳定的单室MFC阳极室内加入一定剂量的盐酸，改变了阳极室内的pH，出现了MFC输出电压迅速下降的现象，随后的一段时间内又恢复稳定.当MFC阳极室内微生物正常的生长环境受到破坏，MFC展现出了高度的敏感性和快速的恢复性.如果降低阳极室的HRT，MFC的敏感性会进一步得到提升.Stein等[28]在研究中向稳定运行的MFC阳极室中加入了一定剂量的铜，也出现了MFC输出电压迅速下降并很快恢复稳定的现象.因此，微生物燃料电池传感器能够作为毒性报警装置，以保证废水处理稳定并有效的进行.

3 微生物燃料电池及其在生物传感监测领域的发展趋势与展望

微生物燃料电池是一种全新的生物技术，由于能在处理废水的同时获得清洁的电能，是缓解当前能源危机和解决环境问题的有效途径，也是环境工程领域一个新的研究热点.目前，微生物燃料电池已经经过了近十年的高速发展期，在提高电池功率密度、降低内阻、优化反应器结构、降低成本以及与传统技术相结合方面进行了大量的研究，功率密度增加了几个数量级，研究成果为其将来在工业实际应用上提供了强有力的支撑及理论依据.随着研究的深入，通过微生物燃料电池拓展出了微生物电解电池、微生物脱盐电池、合成生物制品及微生物燃料电池生物传感器等新型发展方向，从而在产电的同时，实现污水处理、脱氮除磷、制取燃料、合成制品及在线环境监测等，这使其具有了独特的技术及功能上的优势，彰显了广阔的应用前景.

然而，微生物燃料电池反应器需要较为昂贵的构建材料，如常用的交换膜（质子交换膜，离子交换膜）、电极催化剂（Pt）等，由于其高成本问题而无法扩大化应用于实际工程中.尽管近年来学者们都在致力于寻找更为廉价的催化剂及交换膜、更为适合MFC运行的反应器构型，且在降低成本的同时提高MFC的输出功率密度，但距离MFC的实际应用还有很长的路要走.在新能源和环境保护的大力驱动下，MFC有巨大的产业化前景，将来还需从以下几个方面努力.

（1）在MFC菌种方面，宜选择耐受力强的产电菌，进一步研究产电菌的电子产生，传递机制，微生物群落的多样性及其演替规律，实现微生物胞外电子高效转移，并对高效产电微生物进行基因工程改造及培养，同时对微生物生态条件进行优化.

（2）继续优化MFC反应器结构，降低内阻同时增大输出功率密度，提高MFC的电能输出，并使其产生的电能能够得到利用最大化.

（3）继续降低MFC反应器构建成本，开发廉价且高效的分隔膜及催化剂，特别是空气阴极MFC以及生物阴极MFC方面，使其能够早日应用于实际生产中，实现高效资源化和能源化.

（4）注重与传统工艺的结合，创新大型化系统设计与运行调控模式，需要进行大量的研究工作.

同时，对于充分利用MFC产生的微弱电流的相关研究在近期也得到学者们的广泛关注.由于MFC的电流（电压）与电子供体之间的含量存在对应关系，因此MFC能被用作一种新型的生物传感器用于环境监测中某些底物含量的测定及实时监测，适用于成分多样且不确定的废水水质，对MFC应用的扩大化具有重要意义.

微生物燃料电池生物传感器是一种能够利用废水中有机物产生的电能作为电信号进行传感，将水处理与能源回收，能源再利用与水处理在线监测有机结合的新型生物技术.经过近些年的发展历程，目前已发展了多种类型的微生物燃料电池生物传感器，具有良好的稳定性和重现性.但微生物燃料电池生物传感器的研究与应用尚处于起步的实验室阶段，其稳定性和可靠性还有待进一步研究.在传感器的构型方面需要进一步的优化，同时也应降低成本，这样才会在未来生物技术领域中得到极大的发展，成为未来生物传感器的关键设备之一[29-30].相信微生物传感器作为一个具有发展潜力的研究方向，一定会随着生物技术、材料科学、微电子技术等的发展取得更大的进步，并逐步趋向微型化、集成化、智能化.可以预见，未来微生物燃料电池生物传感器将具有以下特点.

（1）功能多样化：未来的微生物燃料电池生物传感器将进一步涉及废水处理监测、环境监测、食品监测、医疗保健等各个领域.

（2）小型化：未来的微生物燃料电池生物传感器具有小型化、便携的特点，使人们在生活中能够方便使用，满足在市场上直接监测的需要.

（3）智能化与集成化：未来的微生物燃料电池生物传感器与计算机及各种模型构建的结合更为紧密，或与其他分析技术连用，如色谱等，实现监测的自动化、集成化、一体化系统.

（4）低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命：未来的微生物燃料电池生物传感器技术的不断进步，必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度，稳定性和延长寿命.这些特性的改善也会加速生物传感器市场化、商品化的进程.

4 结束语

微生物燃料电池生物传感器可以取代常规的化学分析方法，它的出现给当前生物传感器的研究提供了崭新的发展领域，促进了新型生物传感器在环境监测领域中的发展.微生物燃料电池生物传感器作为多学科交叉的高科技领域，如何组织各方面的科技力量和财力、物力来推动这一高科技领域在我国环境监测领域中的发展，是生物、物理、化学、医学、信息、微电子、材料等相关领域中人员即将面临的重大挑战.

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Review of application and development in environmental monitoring with microbial fuel cell-based biosensor

ZHANG Hong-wei1，ZHENG Ya-wen1，WANG Jie1，2，GUO Xing-fei2
（1.State Key Laboratory of Hollow Fiber Membrane Materials and Process of Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Environmental and Chemical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Microbial fuel cell （MFC）is a technology used in wastewater treatment with microorganisms as catalyst for converting chemical energy into electrical energy.As the current generated can be monitored online easily and reflect the metabolism of microorganisms directly，MFC is developed rapidly in biosensor field.MFC-based biosensor used the current or voltage produced by MFC as electrical signals to detect the targeted substance with the advantage of high sensitivity，high monitoring speed，operating simply and continuous online monitoring.The working principle and the application of MFC-based biosensor in environmental monitoring were discussed，and prospective strategies for future development was be proposed.

microbial fuel cell；biosensor；environmental monitoring；online monitor

TM911.45；X831

A

1671－024X（2015）01－0044－06

2014-10-17

国家自然科学基金项目（51378349，51308390）；中国博士后科学基金（2013M541184）；天津市科技兴海项目（KJXH2012-5）

张宏伟（1956—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为膜法水处理.E-mail：zhanghw@tjpu.edu.cn