水稻田運行微生物燃料電池的研究進展

梁雪

摘 要 在水稻田里引入水微生物燃料電池（MFCs）技術還在發展試驗階段，本文綜述了當前的發展，并總結了目前仍需解決的問題。

關鍵詞 甲烷 水稻田 微生物燃料電池

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A

1引言

為了減緩全球變暖的趨勢，溫室氣體的減排已經引起國際社會的廣泛關注。

大氣中的甲烷含量已經從工業革命前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，盡管甲烷絕對量顯著小于主要的溫室氣體二氧化碳，但是單位質量的甲烷全球增溫趨勢是二氧化碳的25倍（IPCC，2007）。研究表明二氧化碳和甲烷的濃度上升對溫室效應的總貢獻率達到70%左右，二者是溫室效應的主要貢獻者，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，拒估計全球所有的人為活動導致甲烷排放的總量中，從水稻田排放的甲烷約占15%-20%。通過數據的挖掘發現不同類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內外研究的重點。

微生物燃料電池（MFCs）是一種用產電微生物將有機物的化學能直接轉化成電能的裝置，有機底物在厭氧條件下被產電微生物分解，釋放出電子，電子直接被陽極捕獲或者經過電子中介體、納米導線等物質間接到達陽極，并經由外電路傳遞到陽極與電子受體（一般是O2）結合，從而形成電流。

2水稻田實施MFCs技術的研究發展

水稻田是實施MFCs技術的重要生境，根據已有實驗數據表明，在水稻田里引水MFCs技術可以控制溫室氣體的排放，因為在水稻田以及濕地中引入MFCs技術后，產電微生物就會與產甲烷微生物形成一種競爭關系，在大多數情況下，產電微生物比產甲烷微生物具有更強的競爭基質的能力，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，潛在的年產能能力可以達1.8€？019J。實驗結果表明MFCs技術的應用不會對原有的水稻田的生態環境造成影響，也幾乎不會對水稻田的產糧功能有任何不利的影響。因此，如果水稻田能夠用于產電，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電微生物可以采用運行MFCs裝置，在2007年Kaku等人就在水稻田中埋入了石墨氈電極，證明可以持續產電，得到的最大功率密度為6mW·m-2 。近幾年的研究中Rosa等人將陽極埋設在種植水稻的淹水稻田土壤中，陽極浸沒在淹水層，并且采用導線連接陰歷和陽極，從而構建MFCs，以土壤有機質和根系分泌物為電子供體，以水中的溶解氧為電子受體進行產電，并設置對照組。結果顯示，運行MFCs以后，稻田土壤中的甲烷排放量比對照組減少了50%。Rismani—Yazdi等將纖維素作為碳源底物置于MFCs中進行產電，發現隨著MFC產電電流的增加，甲烷累計排放量降低。運行MFC的優勢在于不使用化學藥劑也不消耗能源，相反還能產生少量的電能，是一項值得深入探索的綠色可持續的減排技術。

鄧歡等人將添加質量分數為0.5%的稻稈的土壤裝入MFCs反應器中，淹水并種植水稻后運行MFCs，發現能夠顯著的減少甲烷的排放。土壤中添加稻稈是出于環保理念，因為我國每年產生的農作物秸稈高達5.7億噸，秸稈還田能夠有效提高土壤有機質，改善土壤團聚體，并且取代秸稈燃燒，避免環境污染，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質，而且MFCs閉路運行，這都有利于產電菌生長和產電能力的提升。在MFCs運行的過程中，產電菌在陽極表面逐漸富集和訓化，產電電流逐步提高。經過一段時間后達到峰值，之后產電電流有所降低。主要原因包括可利用有機物碳濃度降低，以及MFCs陽極表面的產電菌在產電過程中厭氧分解有機質產生氫離子，導致土壤中PH值降低，從而抑制了產電菌的活性，以往的研究表明，PH值降低也會抑制產甲烷菌活性。產電菌通過分解有機底物進行產電，從而會與產甲烷菌爭奪土壤中有機質，產電菌對有機底物乙酸的親和系數遠低于產甲烷菌，在研究中添加有機底物同步促進了產甲烷菌和產電菌的活性，造成產電菌和產甲烷菌的活性時間重合，從而活躍的產電菌能夠有效的抑制甲烷的產生，對于不添加有機底物運行MFCs的裝置沒有顯著減小甲烷排放，可能是由于缺乏有機底物，產電菌活性較低，產電較為微弱，因此和產甲烷菌爭奪有機底物的能力稍顯不足。而且有機底物較少造成甲烷排放和產電的峰值推遲出現，MFCs運行可能錯過了抑制甲烷排放的最佳時期。另外不添加外來有機底物的土壤PH值下降幅度較小，所以土壤抑制產甲烷的效果較差。

3總結

目前還有好多工作需要進一步開展，現在采用MFCs進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，探索進一步提高減排效果和降低MFCs構建和運行成本的方法。例如需要從源頭上找到甲烷排放的影響機理，探索減少甲烷排放的方法；根據已經有的稻田或濕地中建立甲烷排放的預算模型，預測未來水稻田和濕地溫室氣體的排放通量，為準確評估全球變暖變化趨勢提供基礎數據；同時還要加強有關影響MFCs性能因素的研究，比如電極材料的優化，燃料電池的結構，傳遞體以及其他的環境因素對產電效率以及產電量的影響，爭取將產電的效能提高到最大化。

參考文獻

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