水稻田運(yùn)行微生物燃料電池的研究進(jìn)展

梁雪

摘 要 在水稻田里引入水微生物燃料電池（MFCs）技術(shù)還在發(fā)展試驗(yàn)階段，本文綜述了當(dāng)前的發(fā)展，并總結(jié)了目前仍需解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 甲烷 水稻田 微生物燃料電池

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

為了減緩全球變暖的趨勢(shì)，溫室氣體的減排已經(jīng)引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。

大氣中的甲烷含量已經(jīng)從工業(yè)革命前1750年的0.75 mol·mol-1上升到2005年的1.77 mol·mol-1，升高了約2.5倍，盡管甲烷絕對(duì)量顯著小于主要的溫室氣體二氧化碳，但是單位質(zhì)量的甲烷全球增溫趨勢(shì)是二氧化碳的25倍（IPCC，2007）。研究表明二氧化碳和甲烷的濃度上升對(duì)溫室效應(yīng)的總貢獻(xiàn)率達(dá)到70%左右，二者是溫室效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)者，并且在大氣中的濃度每年以0.5%和0.8%的速度增加。

稻田是甲烷的主要排放源之一，拒估計(jì)全球所有的人為活動(dòng)導(dǎo)致甲烷排放的總量中，從水稻田排放的甲烷約占15%-20%。通過(guò)數(shù)據(jù)的挖掘發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型的濕地甲烷的排放有著顯著差異，而甲烷的排放通量均值最大的是稻田，所以如何降低水稻田中甲烷的排放量就成了國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

微生物燃料電池（MFCs）是一種用產(chǎn)電微生物將有機(jī)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，有機(jī)底物在厭氧條件下被產(chǎn)電微生物分解，釋放出電子，電子直接被陽(yáng)極捕獲或者經(jīng)過(guò)電子中介體、納米導(dǎo)線(xiàn)等物質(zhì)間接到達(dá)陽(yáng)極，并經(jīng)由外電路傳遞到陽(yáng)極與電子受體（一般是O2）結(jié)合，從而形成電流。

2水稻田實(shí)施MFCs技術(shù)的研究發(fā)展

水稻田是實(shí)施MFCs技術(shù)的重要生境，根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在水稻田里引水MFCs技術(shù)可以控制溫室氣體的排放，因?yàn)樵谒咎镆约皾竦刂幸隡FCs技術(shù)后，產(chǎn)電微生物就會(huì)與產(chǎn)甲烷微生物形成一種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，在大多數(shù)情況下，產(chǎn)電微生物比產(chǎn)甲烷微生物具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)基質(zhì)的能力，從而可以抑制甲烷的排放，全世界水稻田栽種面積約為15€？09hm2，潛在的年產(chǎn)能能力可以達(dá)1.8€？019J。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MFCs技術(shù)的應(yīng)用不會(huì)對(duì)原有的水稻田的生態(tài)環(huán)境造成影響，也幾乎不會(huì)對(duì)水稻田的產(chǎn)糧功能有任何不利的影響。因此，如果水稻田能夠用于產(chǎn)電，這樣既能抑制溫室氣體的排放也可以獲得額外的附加效益。

水稻田土壤中含有豐富的產(chǎn)電微生物可以采用運(yùn)行MFCs裝置，在2007年Kaku等人就在水稻田中埋入了石墨氈電極，證明可以持續(xù)產(chǎn)電，得到的最大功率密度為6mW·m-2 。近幾年的研究中Rosa等人將陽(yáng)極埋設(shè)在種植水稻的淹水稻田土壤中，陽(yáng)極浸沒(méi)在淹水層，并且采用導(dǎo)線(xiàn)連接陰歷和陽(yáng)極，從而構(gòu)建MFCs，以土壤有機(jī)質(zhì)和根系分泌物為電子供體，以水中的溶解氧為電子受體進(jìn)行產(chǎn)電，并設(shè)置對(duì)照組。結(jié)果顯示，運(yùn)行MFCs以后，稻田土壤中的甲烷排放量比對(duì)照組減少了50%。Rismani—Yazdi等將纖維素作為碳源底物置于MFCs中進(jìn)行產(chǎn)電，發(fā)現(xiàn)隨著MFC產(chǎn)電電流的增加，甲烷累計(jì)排放量降低。運(yùn)行MFC的優(yōu)勢(shì)在于不使用化學(xué)藥劑也不消耗能源，相反還能產(chǎn)生少量的電能，是一項(xiàng)值得深入探索的綠色可持續(xù)的減排技術(shù)。

鄧歡等人將添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的稻稈的土壤裝入MFCs反應(yīng)器中，淹水并種植水稻后運(yùn)行MFCs，發(fā)現(xiàn)能夠顯著的減少甲烷的排放。土壤中添加稻稈是出于環(huán)保理念，因?yàn)槲覈?guó)每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈高達(dá)5.7億噸，秸稈還田能夠有效提高土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤團(tuán)聚體，并且取代秸稈燃燒，避免環(huán)境污染，所以秸稈還田也得到大力提倡。添加稻稈使土壤含有更多的有機(jī)質(zhì)，而且MFCs閉路運(yùn)行，這都有利于產(chǎn)電菌生長(zhǎng)和產(chǎn)電能力的提升。在MFCs運(yùn)行的過(guò)程中，產(chǎn)電菌在陽(yáng)極表面逐漸富集和訓(xùn)化，產(chǎn)電電流逐步提高。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后達(dá)到峰值，之后產(chǎn)電電流有所降低。主要原因包括可利用有機(jī)物碳濃度降低，以及MFCs陽(yáng)極表面的產(chǎn)電菌在產(chǎn)電過(guò)程中厭氧分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生氫離子，導(dǎo)致土壤中PH值降低，從而抑制了產(chǎn)電菌的活性，以往的研究表明，PH值降低也會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌活性。產(chǎn)電菌通過(guò)分解有機(jī)底物進(jìn)行產(chǎn)電，從而會(huì)與產(chǎn)甲烷菌爭(zhēng)奪土壤中有機(jī)質(zhì)，產(chǎn)電菌對(duì)有機(jī)底物乙酸的親和系數(shù)遠(yuǎn)低于產(chǎn)甲烷菌，在研究中添加有機(jī)底物同步促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)電菌的活性，造成產(chǎn)電菌和產(chǎn)甲烷菌的活性時(shí)間重合，從而活躍的產(chǎn)電菌能夠有效的抑制甲烷的產(chǎn)生，對(duì)于不添加有機(jī)底物運(yùn)行MFCs的裝置沒(méi)有顯著減小甲烷排放，可能是由于缺乏有機(jī)底物，產(chǎn)電菌活性較低，產(chǎn)電較為微弱，因此和產(chǎn)甲烷菌爭(zhēng)奪有機(jī)底物的能力稍顯不足。而且有機(jī)底物較少造成甲烷排放和產(chǎn)電的峰值推遲出現(xiàn)，MFCs運(yùn)行可能錯(cuò)過(guò)了抑制甲烷排放的最佳時(shí)期。另外不添加外來(lái)有機(jī)底物的土壤PH值下降幅度較小，所以土壤抑制產(chǎn)甲烷的效果較差。

3總結(jié)

目前還有好多工作需要進(jìn)一步開(kāi)展，現(xiàn)在采用MFCs進(jìn)行溫室氣體減排的研究較少，尚需要更多的研究證明減排的效果，探索進(jìn)一步提高減排效果和降低MFCs構(gòu)建和運(yùn)行成本的方法。例如需要從源頭上找到甲烷排放的影響機(jī)理，探索減少甲烷排放的方法；根據(jù)已經(jīng)有的稻田或濕地中建立甲烷排放的預(yù)算模型，預(yù)測(cè)未來(lái)水稻田和濕地溫室氣體的排放通量，為準(zhǔn)確評(píng)估全球變暖變化趨勢(shì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；同時(shí)還要加強(qiáng)有關(guān)影響MFCs性能因素的研究，比如電極材料的優(yōu)化，燃料電池的結(jié)構(gòu)，傳遞體以及其他的環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)電效率以及產(chǎn)電量的影響，爭(zhēng)取將產(chǎn)電的效能提高到最大化。

參考文獻(xiàn)

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