作者：AIpatent认证专家库成员
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摘 要：化石资源的枯竭和全球变暖的加剧促进了包括利用生物质资源的生物技术在内的可持续能源和资源技术的研究。在此类研究中，关于能够利用细胞外电子转移路径与电极发生电化学作用的微生物——电化学活性细菌（EAB），因其在微生物燃料电池（MFC）和微生物电合成系统（MES）等生物电化学系统（BES）中的应用而备受关注。
MFC是利用EAB将生物质转化为电能的装置，而MES是EAB利用电极提供的电子来生长和生产有价值的化学物质的装置。本文将重点介绍MFC及其基本原理和应用，并讨论基于MFC的技术对促进可持续社会和工业发展的可能性。
关键字：电化学活性细菌（EAB）、微生物燃料电池（MFC）、微生物电合成系统（MES）、生物电化学系统（BES）、细胞外电子转移（EET）、沉积物MFC、废水处理
1、前言
随着化石资源的枯竭和全球变暖的加剧，以生物质为资源的新生物技术备受期待。在这种情况下，电化学活性细菌(EAB)的发现，引起了学术界和工业界的关注。EAB是与外界进行电相互作用的微生物的总称。具有电化学活性的微生物可以通过氧化分解有机物，将电子释放到细胞外的电极来进行发电，这些微生物被称为发电细菌1）。另一方面，EAB还可以通过接收来自电极的电子来进行还原性代谢，有望利用二氧化碳和廉价低分子化合物等生产有用物质2）。利用电化学活性细菌的以上特征，有望开发出微生物燃料电池（MFC）和微生物电合成系统（MES）等对地球环境负荷较小的微生物电化学系统（图1）。
目前，关于EAB的研究正在世界范围内积极进行，特别是在以发电细菌模型的Shewanella oneidensis3）和Geobacter sulfurreducens4）为对象的研究中，正在阐明微生物发电的分子机制。另一方面，关于MFC，以实用化为目标，正在开发部件和装置。本文概述了有关发电细菌和MFC的最新发现，并对其可能性进行了分析。
图1 微生物电化学系统的概念
2、发电细菌
2.1 微生物的发电原理
关于微生物与发电之间的关系可能有些难以想象，但是这种现象与包括人类在内的众多生物为了生存而利用粮食获得能量的现象相似。人类通过粮食摄取有机物（电子供体），并将有机物氧化分解而生成的电子转移给氧气（电子受体），从而获得能量。而微生物可以利用各种化合物作为电子供体或电子受体，其氧化还原电位的差（电动势）越大，得到的能量越大。在利用具有较高电位的氧气的呼吸中，可获得较大的能量。也就是说，可以合成与由有机物的氧化分解生成的NADH（电子转移体）和氧气的电位差（PH=7时，Emicrobe＝+1.14V相对于标准氢电极，图2）相对应的ATP（生物的能量货币）。
另一方面，发电细菌在无氧条件下将电子转移到电极进行电极呼吸5）。在这种情况下，由于阳极电位（E0’anode）低于氧气的氧化还原电位，因此微生物获得的能量小于氧气呼吸。即，在MFC中，NADH与阳极的电位差（△Emicrobe）成为微生物获得的能量，剩余的电位差（△EMFC）作为电力被回收（图2）。如上所述，MFC利用发电细菌的电极呼吸，但是在自然环境中，将氧化铁、锰等固体金属氧化物作为电子受体进行金属呼吸6）。因此，发电细菌的发电能被认为是利用细胞外固体金属进行呼吸的先进能量获取机制。
图2 通过氧气呼吸和电极呼吸获得的能量
2.2 发电机制
具有发电能的微生物具有在发电时释放电子的细胞外电子转移（EET）路径。由于生物的细胞被不导电的细胞膜或细胞壁覆盖，因此需要导电路径与外界交换电子。在S.oneidensis MR-1株中，EET分子机制的全貌变得清晰。MR-1株的EET路径主要由导电的细胞色素c蛋白组成，包括CymA、STC/FccA、OmcA、MtrA、MtrC7）。这些蛋白质的作用类似于将内膜醌和电极连接起来的导线，用于将电子转移到细胞外部（图3）。
MR-1株优先使用乳酸等低分子有机酸8），在代谢过程中产生的电子通过内膜醌转移到位于内膜的CymA。接下来，电子通过位于周质内的可溶性细胞色素的STC/FccA等从CymA转移到位于外膜的MtrCAB和OmcA的复合物。MtrB是一种跨外膜型蛋白质，用于将MtrA与位于细胞外部的OmcA和MtrC连接起来9）。最后，电子通过OmcA和MtrC转移至电极等细胞外电子受体。
EET路径和电极之间的电子交换路径具有直接路径和间接路径。关于通过直接路径将电子转移至电极的微生物（图3A），已被报告的有S.oneidensis10)、S.loihica11)、G.Geobacter sulfurreducens12)等。另一方面，也有微生物通过利用电子转移物质（黄素、醌、吩嗪、黑色素等）的间接路径（图3B）将电子转移至细胞外。例如，据报告，S.oneidensis13）、Lactococcus lactis14）、Pseudomonas chlororaphis15）、S.algae16）分别利用黄素、醌、吩嗪、黑色素。在这种情况下，电子转移物质通过从微生物接收电子而被还原，并通过将电子转移至电极而被氧化。此外，氧化的电子转移物质再次被微生物还原。通过重复该循环，产生持续的电子移动。
图3 S.oneidensis MR-1的EET路径
（A）直接路径 （B）间接路径
MR-1株可以通过两种路径提供电子。OmcA涉及电极表面粘附和直接电子转移17）。另一方面，MtrC与黄素有很高的亲和力，对于间接电子转移十分重要18）。当电子通过上述路径从微生物细胞内部移动到电极时，就会开始发电。
3、微生物燃料电池的构成
在使用发电细菌的装置中，被研究最多且最接近实用化的是MFC19）。MFC基本上由阳极（负极）和阴极（正极）构成（图4）。阳极使用导电性高且易于附着微生物的石墨。而阴极多使用空气阴极，该阴极的形成过程如下：在导电性基材的一侧均匀涂覆氧气还原催化剂，并在另一侧形成由特氟隆等制成的氧气扩散层。
发电之前的流程如下（图4）：首先，通过发电细菌等微生物的代谢反应使培养槽中的有机物氧化分解，此时释放的电子通过发电细菌直接转移到阳极，或通过电子转移物质间接转移到阳极，同时产生的质子扩散移动至阴极；在阳极回收的电子通过导线移动至阴极；在阴极，通过氧还原催化剂的作用，氧气与电子和溴反应生成水。当上述一系列反应连续发生时，外部电路产生电流，并获得相当于阳极和阴极之间的电位差与电流乘积的电力。
图4 MFC的基本结构
4、微生物燃料电池（MFC）的用途
MFC是一种将生物学和物理化学相结合的装置，目前正在对其进行研发，以期用作环境净化相关技术。例如，MFC可用于废弃生物质处理20）、沉积物发电21）、节能型废水处理22）、生物传感器23）、小型电源24）、金属回收25），26）等。下文将重点介绍其中备受关注的沉积物发电和节能型废水处理。
4.1 沉积物MFC
沉积物MFC是一种通过电极回收由微生物氧化分解土壤中的有机物所产生的电子以进行发电的装置（图5A）。该MFC正在尝试利用海底淤泥21）、湖沼27)、红树林淤