全 文 ：第 9 卷第 1 期 过 程 工 程 学 报 Vol.9 No.1
2009 年 2 月 The Chinese Journal of Process Engineering Feb. 2009

收稿日期：2008−09−27，修回日期：2008−11−17
基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：20476009, 20576137)；国家高技术研究发展计划(863)基金资助项目(编号：2007AA05Z158)
作者简介：何辉(1984−)，男，湖北省洪湖市人，硕士研究生，环境科学专业；冯雅丽，通讯联系人，Tel: 010-62332467, E-mail: ylfeng126@126.com.
利用小球藻构建微生物燃料电池
何 辉1， 冯雅丽1， 李浩然2， 李顶杰2
(1. 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2. 中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京 100190)
摘 要：利用分离的小球藻(Chlorella vulgaris)构建了光合微生物燃料电池，考察了小球藻加入阴阳极和以废水为底物
的电池产电性能及机理. 结果表明，构建的微生物燃料电池是可行的，电能输出主要依赖吸附在电极表面的藻，而与
悬浮在溶液中的藻基本无关. 光照是该燃料电池电压变化的主要影响因素之一. 在阴极室中添加铁离子，通过其二和
三价间的循环转化，提高电子的传递速率，加快质子和氧气的反应，电池的输出功率密度达到 11.82 mW/m2，COD
去除率达到 40%. 这种电池将化学能、光能转化为电能的同时可处理污水并回收小球藻.
关键词：小球藻；微生物燃料电池；光合作用；污水处理
中图分类号：TM911.45 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2009)01−0133−05
1 前 言
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是利用
微生物的催化作用将化学能转化为电能的一种装置[1,2].
伴随微生物、电化学及材料等学科的发展，MFC 的结
构和性能不断改善[3]，逐步向环境领域扩展. 在双室[4]
的基础上出现了单室[5]及升流式 MFC[6]，底物由单一小
分子有机物，如醋酸钠[4]、葡萄糖[5]，转向大分子混合
有机物，如氯酚废水[7]、秸秆废水[8]、啤酒废水[9]等.
Logan 等[10,11]研发了以市政及工业污水为底物的 MFC，
在对污水进行生物处理的同时可获得电能，降低污水处
理费用，实现废物资源化. 目前所报道的 MFC 阳极需
进行厌氧处理[12−14]，给实际操作和应用带来不便.
小球藻(Chlorella vulgaris)为一类普生性单细胞绿
藻，是以水为电子供体的光能自养型生物，光合作用过
程中，其利用简单的无机物合成有机物而生长繁殖. 其
环境耐受性强，可利用无机盐降解农药、烷烃、酚类等
多种有机物[15]，且能超负荷吸收重金属，其体内含有丰
富的蛋白质、维生素、矿物质、食物纤维、核酸及叶绿
素等，是维持和促进人体健康不可缺少的营养素.
本工作利用小球藻构建微生物燃料电池. 这种无
介体光合微生物燃料电池阳极和阴极均在好氧环境下
运行，降低了反应器制造的难度，拓展了运用领域. 在
处理污水的同时可获得电能，还可以降低小球藻的生产
成本，为废水资源化处理及光能利用提供一种新思路.
2 实 验
2.1 实验材料
2.1.1 藻种及其培养条件
微生物：Chlorella vulgaris 由北京永定河水样中分
离培养. 分别取 5 个 150 mL 水样置于三角瓶中，编号
1#∼5#. 1#∼4#三角瓶依次加入 50 mL 水生 4 号、水生 105、
朱氏 10 号[16]、Zarrouk 培养基[17]，5#三角瓶不加任何培
养基. 所有培养基在 121℃高压灭菌器中灭菌 15 min.
在温度 25∼30℃、光照度 4500 lx 持续光照下，15 d 后
4#瓶藻类生长情况最好. 可见 Zarrouk 为实验藻类培养
所需培养基.
经中国科学院水生生物研究所鉴定，4#样品中浮游
植物主要为绿藻门、蓝藻门，蓝藻门仅有席藻属，绿藻
门主要包括栅藻属、小球藻属、十字藻属，其中小球藻
的数量最多，占细胞总数的 90%左右. 如图 1 所示.










图 1 4#样品藻种鉴定结果
Fig.1 Identification result of sample 4#
由于小球藻数量最多，细胞密度达 8×105 mL−1，无
需进行预备培养，可直接利用水滴分离法[16]对培养出的
藻进行分离提纯. 经过多次分离提纯后的小球藻在石墨
电极上富集 30 d 后的电镜扫描图见图 2.
134 过 程 工 程 学 报 第 9 卷








图 2 富集在电极上的小球藻电镜图
Fig.2 SEM images of Chlorella vulgaris attached on the electrode
2.1.2 实验条件
温度 25∼30℃，光照度 4500 lx 持续光照，所有装
置均置于光照培养箱中.
2.2 设备与仪器
实验所用装置如图 3 所示，由阴极、阳极 2 个电极
室构成，通过质子交换膜(Nafion-117，美国 Dupont 公
司)连接，质子交换膜与两极室之间夹有真空垫以保持
密封，每个电极室可装入 250 mL 溶液. 所有装置均置
于光照培养箱中进行实验.












图 3 双室微生物燃料电池体系示意图
Fig.3 Schematic diagram of the two-chamber MFC
质子交换膜使用前需要依次在 30% H2O2 和 0.5
mol/L H2SO4、去离子水中煮沸 1 h[18]，然后保存在去离
子水中备用. 电极均为未抛光的高纯石墨电极，物理表
面积 65 cm2，使用前用 1.0 mol/L HCl 浸泡去处杂质离
子，使用后再用 1.0 mol/L NaOH 浸泡以除去其表面吸附
的细胞[19]. 石墨电极处理后置于小球藻培养器皿中进
行藻的富集.
2.3 实验方法
电压采集：瑞博华 AD8201H 数据采集卡，16 位，
32 通道，编程双端方式工作，采集精度 0.1 mV.
COD 测试采用重铬酸盐法(GB11914-89)测定.
3 结果与讨论
3.1 产电最大功率
选取合适的外接电阻以利于电池产生最佳的输出
功率，当电池正常运转达到电压平台时，改变外接电阻
(0∼5000 Ω)，得到电阻−输出功率及电阻−电压图(图 4).
随着外电阻的增加，电池电压逐渐增大，但增长速率逐
渐放缓；电池功率则先增大后变小，在 510 Ω附近电池
输出功率最大(0.077 mW)，输出功率密度达到 11.82
mW/m2. 本实验电池外电阻确定为 510 Ω.










图 4 电池的电阻−输出功率及电阻−电压图
Fig.4 Relationships of resistance−voltage and
resistance−power for the MFC
3.2 小球藻在 MFC 阳极的作用及其产电规律
为考察小球藻在阳极对产电的作用，进行了对照实
验. 装置 I 阳极接入小球藻，II 不接入，阴极均加入 50
mmol/L 铁氰化钾溶液[20]，外电阻为 510 Ω，实验结果
Data acquisition
Chlorella vulgaris
Air/O2
Exchange
membrane

N2
Anode Cathode
Resistance
0 1000 2000 3000 4000 5000
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Resistance (Ω)
V
ol
ta
ge
(V
)
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
P
ow
er
(m
W
)
第 1 期 何辉等：利用小球藻构建微生物燃料电池 135
见图 5. 微生物燃料电池 I 电压明显高于 II.
微生物燃料电池 I 发生如下反应：
光合作用[20]： CO2+H2O hv⎯⎯→ yCH2O+H2O, (1)
阳极： H2O ⎯⎯⎯→光解 2H++1/2O2+2e−, (2)
yCH2O+yH2O Microorganism⎯⎯⎯⎯⎯→ yCO2+4yH++4ye−, (3)
阴极： Fe(CN)63−+e−→Fe(CN)64−, (4)
O2+4H++4e−→H2O. (5)
电池 I 产生的电压由两部分组成，一部分是小球藻
进行光合作用光解 H2O，该过程中产生的部分电子和质
子传递至阴极[式(2)]；另一部分是外细胞代谢光合作用
产生碳水化合物的过程中，细胞膜外累积的细胞色素失
去电子给阳极[式(3)]，电子再通过外电路、质子通过质
子交换膜到达阴极. 不加小球藻的电池 II 电压值由 0.07
V 下降到 0.01∼0.02 V，此时在阴极添加 50 mmol/L 铁氰
化钾，电压迅速升到 0.07 V 左右. 说明电池 II 电压随铁
氰化钾溶液的消耗呈下降趋势，铁氰化钾溶液可加速电
子的传递速率，提高电池电压值.










图 5 阳极接入小球藻产电对照实验结果
Fig.5 Control experimental result with Chlorella vulgaris (I)
in anode and without it (II)
为考察悬浮细胞对电能输出的影响，电池运行一段
时间后，将电池 I 的电极更换为未接入小球藻的电极，
结果见图 6. 实验表明，更换电极后电池电压值保持在
背景电压一段时间后有所上升，而当再次更换为原始电
极时，电压迅速上升到 0.09 V 左右. 这说明去除电池中
的吸附细胞后，电池的产电性能大幅度下降，更换吸附
小球藻阳极后电池的产电性能恢复. 可见悬浮细胞对电
能输出贡献很小，电能输出归功于吸附在电极上的小球
藻，即在电极上形成的生物膜. 电极预先放入培养皿中
进行富集，在电极插入极室时已形成成熟的生物膜.
当电池 I 运行稳定后，阴极再加入 50 mmol/L 铁氰
化钾溶液，电压值迅速上升，这是由于铁氰化钾中 Fe3+






图 6 阴极添加铁氰化钾及更换阳极对产电的影响
Fig.6 Effects of adding ferricyanide to cathode and
changing anode on power production
的还原速率比O2快[式(4), (5)]，可加速电子的传递速率，
提高电能的输出. 反应一段时间后，铁氰化钾消耗完，
电池电压值下降趋于稳定. 此时，注入 50 mmol/L 铁氰
化钾溶液，电压值迅速上升.
当电池 I 再次达到稳定运行时，取消光照，电压值
一直下降到背景电压(图 7). 在无光照条件下，小球藻无
法进行光合作用，无法继续产生碳水化合物和进行水
解，只能分解已形成的碳水化合物，直到分解完，电压
逐渐下降至背景电流. 该实验表明，光照是光合微生物
燃料电池电压变化的主要影响因素之一，也是电池 I 电
压能稳定在 0.09 V 左右的主要原因.










图 7 无光照下电池电压随时间的变化
Fig.7 Time−voltage relationship for the MFC I
without light illumination.
3.3 小球藻在 MFC 阴极的作用及其产电规律
为了考察小球藻在阴极对提高电池电压的作用，准
备 2 套实验装置，编号为 III 和 IV. 电池 III 阴极接入培
养分离出的小球藻，电池 IV 不接入小球藻，阳极均加
入活性污泥及 0.2 mol/L 醋酸钠 10 mL，外接 510 Ω的定
值电阻. 阳极加入活性污泥前通N2/CO2混合气(80/20, ϕ)
除尽培养基中的氧气，接种后密封或缓慢通混合气[4]，
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
50 mmol/L ferricyanide
added in cathode
MFC
II
I
V
ol
ta
ge
(V
)
Time (min)
0 4000 8000 12000 16000
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
Vl
ot
ag
e
(V
)
Time (min)
Replacement of the electrode
50 mmol/L ferrcyanide added in cathode
0 2000 4000 6000 8000
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
Vo
lta
ge
(V
)
Time (min)
136 过 程 工 程 学 报 第 9 卷

阴极不通气.
如图 8 所示，微生物电池 III 的阴极所产生的电压
值稍高于电池 IV. 这是因为电池 III 的阴极中小球藻光
合作用能产生氧气，为微生物电池提供更充足的电子受
体，加快阴极中氧的还原速度，加速电子的传递速度，
从而降低氧气在阴极与 H+反应的超电势，增大电池的
输出电压.












图 8 阴极吸附小球藻的产电情况
Fig.8 Control experimental results with Chlorella vulgaris
in cathode (III) and without its addition (IV)
电池 III 运行一段时间后，微生物吸附在电极上逐
渐形成生物膜，此时电压值稳定在 35∼40 mV 之间. 但
长时间反应后，醋酸钠消耗完，电压降至背景电压，再
添加醋酸钠，电压迅速回升(图 8). 阴极吸附小球藻光合
微生物燃料电池反应过程如下：
阳极(厌氧)：
CH3COO−+2H2O Microorganism⎯⎯⎯⎯⎯→ 2CO2+7H++8e−, (6)
阴极[20]：
CO2+H2O hv⎯⎯→ yCH2O+O2, (7)
yCH2O+yH2O Microorganism⎯⎯⎯⎯⎯→ yCO2+4yH++4ye−, (8)
O2+4H++4e−→H2O. (9)
阳极活性污泥内的细胞代谢醋酸盐过程中[式(6)]，
细胞膜外累积的细胞色素失去电子给阴极，电子再通过
外电路到达阴极，阳极室产生的 H+通过质子交换膜到
达阴极室，阴极室中溶解氧最终得到电子被还原，再与
H+反应生成水[式(9)]. 与此同时，小球藻在阴极进行光
合作用分解水[式(7)]、细胞代谢分解光合作用产生的碳
水化合物[式(8)]均会增加氧气在阴极与 H+反应的超电
势，而导致电池 III 比 IV 电压值增幅很小，只增加 0.01
V 左右.
3.4 利用光合微生物电池处理污水
将取自北京市高碑店污水处理厂沉淀池中的污水
(COD=321.2 mg/L)加入稳定运行的微生物燃料电池 I 的
阳极室，处理有机废水的同时发电. 分别在处理不同时
间后取样测 COD，结果如图 9 所示. 可见加入有机废水
时，微生物电池 I 电压值从 0.09 V 左右上升至 0.12 V，
下降一段时间后趋于稳定，保持在 0.1 V 左右. 这是因
为在阳极加入有机废水为小球藻提供了养料，电压值迅
速增高到峰值. 当电池运行一段时间后，电池电压趋于
稳定. 由于有机废水中含有机养料，所以稳定电压值比
0.09 V 略高.











图 9 光合微生物燃料电池降解污水及产电结果
Fig.9 Waste water treatment and current production
of photosynthetic microbial fuel cell
小球藻处理该污水，在 21 d 内污水的 COD 值从
321.2 mg/L 降低到 189.6 mg/L，去除率达 40%. 实验证
明，利用小球藻处理废水可有效去除废水中的有机物
质、磷、氮等，显著降低废水 COD. 所以，利用小球藻
构建微生物燃料电池，在产电的同时处理废水，同时利
用废水中的化学能及光能转化为电能是可行的.
4 结 论
本工作利用小球藻构建微生物燃料电池，考察了小
球藻分别加入阳极和阴极及以废水为底物的电池的产
电情况和产电原理，及利用这种电池处理污水的可行性.
研究得出如下主要结论：
(1) 利用小球藻构建微生物燃料电池是可行性的，
这种电池可在将化学能、光能转化为电能的同时处理污
水并回收小球藻，从而降低小球藻的生产成本，为废水
的资源化处理提供一种新的思路. 电池的输出功率密度
达 11.82 mV/m2，对 COD 的去除率达 40%.
(2) 电能的输出主要依赖于吸附在电极表面的藻，
0 5 10 15 20 25
180
200
220
240
260
280
300
320
Time (d)
C
O
D
(m
g/
L)
0.09
0.10
0.11
0.12
Vo
lta
ge
(V
)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0.015
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
Vo
lta
ge
(V
)
Time (min)
MFC
III
IV
NaAC additions
第 1 期 何辉等：利用小球藻构建微生物燃料电池 137
而与悬浮在溶液中的藻基本无关. 阴阳极均为好氧运
行，与已有的 MFC 相比制作简单、操作方便，且拓宽
了实际应用的领域.
(3) 小球藻接入阴极，通过光合作用产生氧气，降
低了氧气在阴极与 H+反应的超电势，提高了电子的传
递速率，加快了质子和氧气在阴极的反应，增大了电池
的输出电压.
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Construction of a Microbial Fuel Cell Using Chlorella vulgaris
HE Hui1, FENG Ya-li1, LI Hao-ran2, LI Ding-jie2
(1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
2. State Key Laboratory of Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering, CAS, Beijing 100190, China)
Abstract: The photosynthesis microbial fuel cell was constructed using separated Chlorella vulgaris. Electricity production and
mechanism of the cell were preliminarily studied. By analyzing the cell voltage measured by the acquisition system, it was proved that
the photosynthetic microbial fuel cell was feasible. Microbial electricity generation was mainly attributed to the electrochemically and
biologically active cells attached to the electrode, and the suspended algae in the solution were not involved. The illumination was one of
main influential factors on the voltage of MFC. By adding Fe3+ to the cathode chamber, electron transfer driving force was generated in
coupling of Fe3+ reduction to Fe2+ on the cathode. The Fe2+ cations were subsequently oxidized by O2 in air. For this Fe3+ circular effect，
the electron transfer and oxidation−reduction efficiency were enhanced. The output power density of MFC was up to 11.82 mV/m2, and
the removal rate of COD reached 40%. This kind of MFC could produce electricity and treat the wastewater simultaneously.
Key words: Chlorella vulgaris; microbial fuel cell; photosynthesis; wastewater treatment