细菌发电

细菌发电，即利用细菌的能量发电。历史可以追溯到1910年，英国植物学家马克·皮特首先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。于是他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液里，成功地制造出世界上第一个细菌电池。细菌发电经过一个世纪的发展，逐步受到世界各国的重视，科学家们表示，这种技术可用来生产手机电池。2012年，美宇航局拟用细菌为行星探索机器人供能。细菌发电工艺会产生二氧化碳（导致温室效应的气体）等对空气造成污染的物质，但与使用矿物燃料所排出的废气相比，它对全球变暖的危害要低得多。

1、技术原理

细菌发电的原理是让细菌在电池组里分解分子，以释放出电子向阳极运动产生电能。在细菌发电期间，还要往电池里不断充入空气，用以搅拌细菌培养液和氧化物质的混合物。

但自然界中这种沉积物不多，因此细菌中的电子含量总是很饱满，它需要一个可以释放电子的途径。如果把电极放在这种含铁的沉积物中，并把它连成一个圈，细菌就可以释放电量。就这样产生了奇特的细菌电源。

科学家还发现有些可以产生电流的细胞如Geobacter在细胞外长有长长的、纤细的丝。即细菌的这些细长的丝可能是它们纯天然的“电线”。后来经过试验证明，电流确实流经这些细丝。以前实验室的工作人员德里克拉乌里和其他科学们认为细菌只有靠着电极才可以发电，而这些长在细菌细胞外的细丝却说明细菌可以远距离发电。这样成千上万个细菌就可以同时向一个电极发电，产生10倍甚至15倍于原来设想的电量。

2、主要原料

细菌发电的主要原料包括葡萄糖以及果糖、蔗糖，甚至从木头和稻草中提取出来的含糖副产品的木糖等，都可以充当细菌发电的原料。细菌发电所用的糖完全可以用诸如锯末、桔秆、落叶等废有机物的水解物来替代，也可以利用分解化学工业废物如无用聚合物来发电。由于细菌稳定性强，它们能够在4℃到30℃（39.2至86华氏度）之间生长。细菌的最佳生长温度为25℃（77华氏度）。

细菌发电工艺会产生二氧化碳（导致温室效应的气体）等对空气造成污染的物质，但与使用矿物燃料所排出的废气相比，它对全球变暖的危害要低得多。科学家们表示，这种技术可用来生产手机电池。

糖原料

世界上第一种能够发电的“细菌电池”，的原料是地下的细菌，细菌在吞噬糖的过程中，能够把能量转化为电。原型电力装置加满原料后，可以正常运转长达25天，而且成本低，性能稳定。细菌电池是一种独特的有机体，具有潜在的应用价值。正处于研究阶段的细菌叫Rhodoferaxferriducens，在弗吉尼亚奥伊斯特贝地底深处不通风的沉淀物中被发现的，它是使糖氧化的最理想的“候选者”。

在一个有两个封闭空间的容器中，每一个空间都有一个石墨电极，并被薄膜隔开。其中一个空间中放有R.ferriducens，它们在葡萄糖溶液中游动，在产生化学反应后分解为二氧化碳（CO2）和电子。电子被传输到附近的电极（阳极），然后又通过外电路传送到另一块电极（阴极）的电源。

原型机能够生成少量的电流，充其量只够一个计算器或圣诞树灯泡的电力供应。然而，作为细菌电力的明证，这种机器诞生的影响不可估量。它的能效达到惊人的83%，这也预示着，一旦克服工程技术障碍，找到解决生产技术的方案使它可以当做普通电池用。

重金属

利用重金属做为原料，是指利用一种能去除地下铀污染物的细菌来发电。

科学家们破解了这种能吞噬金属的地下细菌的基因图谱，称它有100多个基因能够使金属发生化学变化，使之产生电能。这种地下细菌的基因组中有100个或更多的基因，能编码不同的C型细胞色素，还具有能来回移动电子的蛋白质。

此外，这种先前被认为只能在无氧环境里存在的细菌，可能具有在有氧条件下发挥某种功能的基因。它们能在深层地下水中产生电能，这比先前预计的清洁环境的用处更大。

3、有机污水

利用生活污水发电设备也可以发电，它是利用在淡水池塘中常见的一种细菌来连续发电的。这种细菌不仅能分解有机污染物，而且还能抵抗多种恶劣环境。节省能源，有利环保。科学家说，利用这种污水发电机，将会有那么一天，能使从马桶冲下去的秽物成为家中照明用电的来源。

生活污水发电的设备有两个特点：首先是发电的细菌属于脱硫菌家族，这个家族的细菌在淡水环境中很普遍，而且已被人类用于消除含硫的有机污染物;其次是在外界环境不利或养分不足时，脱硫菌可以变成孢子态，而孢子能够在高温、强辐射等恶劣环境中生存，一旦环境有利又可以长成正常状态的菌株。用这种细菌制成的燃料电池，只要有足够的有机物作为“食物来源”，电池中的细菌就能通过分解食物持续释放出带电粒子。

这种发电机是一个15厘米长的密封罐，有机污水被引入罐内后被细菌酶分解，在此过程中释放出电子和质子。在电子流向正极的同时，质子通过罐内的质子交换膜流向负极，并在那里与空气中的氧及电子结合成水。在完成上述分解污水过程的同时，罐内电极之间的电子交换产生了电压，使该设备能够给外部电路供电。

该设备的发电量只达到其发电潜力的1/10。即便如此，该系统也能利用10万人次的排泄物发出51千瓦的电。

4、海藻纤维

海藻纤维素电池：用于产品或机场行李追踪

海藻的纤维素可以制造出像纸一样纤薄、轻巧、柔韧的电池，可用来追踪产品从产地到货架的行踪，或用来追踪通过机场安检的行李的行踪。相关研究发表在最新一期的《纳米快报》上。

电池依靠电化学反应工作，每一个电池包含两个电极（阴极和阳极），这两个电极浸没在电解液中。广泛应用于手机和手提电脑中的锂电池的阳极由碳组成，阴极由氧化锂钴组成，其溶在含有锂盐的有机电解液中。当电池被通上电时，电子朝阴极进发，迫使带正电的锂离子远离阴极，进入阳极，当电池放电时，电流让锂离子离开阳极返回到阴极。

海藻电池由海藻中提取的纤维素制成（纸张是由树木或者棉花中提取的纤维素制成）。海藻纤维素的纤维更加纤细，会使电池的表面积更大，使其能够存储更多电荷。

5、啤酒废料

啤酒废料可用来发电

在中国和泰国曾经有过把稻谷和甘蔗的废料制造成能源的案例。同样的程序或许可以用于开发酿酒的废料，而且制造的能源还能用于酿酒。

酿造啤酒消耗的能源很多，先要用热水和蒸气煮原料，然后用电使其冷却。湿谷物和废水倒入酵桶中，发酵桶装了可以分解有机化合物的细菌，这样就可以制造沼气，然后把发酵桶中产生的沼气和干煤泥用于烧水和生产高压力的蒸气，而这又能推动涡轮发电。铜鼓从谷物废料中回收整个酿酒这一过程，一个现代的节能酿酒厂能回收总能源消耗量的50%－60%，能大大节省成本。

6、岩石菌种

还有一种寄生在岩石上名的为希瓦氏菌的细菌，这种细菌可以将矿物质转化为微小的电流。这是本世纪的一项重大发现，这个发现可以帮助科学家发明出一种全新的用有机物为材料的清洁燃料电池。

因为这种细菌适应环境的能力很强，于自然界中可以说是无处不在，并且它们还可以缺氧的环境下生活（这也让科学们被困扰了半个世纪）。不过，即便科学家们发现了这一微生物可以产生电流，也无法搞清电流是如何产生的。

这种细菌是通过蛋白质之间的化学变化而产生电子形成电流的；而美国科学家认为，这种细菌在岩石上吸收铁、锰等金属元素时，在细菌内电子产生了移动，而形成电流。细菌发电有希望能成为石油、煤矿、天然气等稀缺能源的替代品。

7、主要用途

建发电站

利用这种细菌发电原理，还可以建立细菌发电站，计算表明一个功率为1000千瓦的细菌发电站，仅需要1000立方米体积的细菌培养液，每小时消耗200千克糖即可维持其运转发电。而这种电站是一种不污染环境的"绿色"电站，其运转产生的废物基本上是二氧化碳和水。完全可以用诸如锯末、秸秆、落叶等废有机物的水解物来代替糖液等，细菌发电的前景十分广阔。

把生活废水中的细菌降解，再结合淡水和海水之间的盐度梯度来发电，优势更加明显。另外，废水中蕴含有大量以有机物形式存在的能量，而这些能量是处理这些废水所需能量的10倍之多。

制造电池

各个发达国家在细菌电池研究方面取得了新的进展。美国设计出一种综合细菌电池，里面的单细胞藻类可以利用太阳光将二氧化碳和水转化为糖，然后再让细菌利用这些糖来发电。日本科学家同时将两种细菌放入电池的特种糖液中，让其中的一种细菌吞食糖浆产生醋酸和有机酸，而让另一种细菌将这些酸类转化成氢气，由氢气进入磷酸燃料电池发电。英国则发明出一种以甲醇为电池液，以醇脱氢酶铂金为电极的细菌电池。

此外科学家还有研究出两种新型的发电技术，这两个技术分别为微生物燃料电池（MFC），即利用生活废水中自然存在的细菌发电，以及逆向电渗析（RED），也就是利用淡水和盐水之间的盐度梯度来发电，可以生产出微生物逆向电渗析电池（MRC）。这一技术由两个不同的技术结合而成。该小组扬长避短，规避了这两个技术的局限性，开发出效率更高、成本更低，且十分方便的电池技术。科研小组负责人、能源与环境研究专家布鲁斯罗根表示，这两个技术每个都存在优点和弊端，把它们结合在一起，取其优点，结合之后，效果更佳。

尽管有关微生物燃料电池的问题很早便已提出，但直到现在他们仍旧面临成本高以及能效低等问题。微生物燃料电池的效率很低，一般为10%或更低，相对于它们提供的功率，这种产出所付出的成本极高。通过这种方式发电，最佳效率可达约50%。但这需要添加几种起催化作用的化学物质，这些化学物质可以穿过封闭空间的薄膜进入容器，把*电子传输到阳极。不过，这几种起催化作用的化学物质的价格非常昂贵，而且还需要经常补充，这使得它们不适于用做一种简单的长期的能源。

制造氢气

细菌除了可发电之外，还可以制造氢气。正在对此进行研究的离子能公司的总裁说：“我们已经证明了细菌制造氢气的可能性，接下来需要在一个广的应用范围内证明它的可行性。”

利用基因改造的方法来使细菌利用阳光或排泄物产生氢气或其他能源。如果能够找出产生能源的基因的排序方法，细菌能源的产生过程就可以在控制之中了。劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员表示，这种合成的微生物的机体可以被重新构架，可以让它们产生各种需要的能源。这项研究进行得很快，结果在15年内就可以出来了。

其他应用

细菌发电也可用于其他环境条件下，比如在充电条件困难以及成本高的情况下。使用这项技术为监视过往船只及潜艇的水下扩音器和声呐提供动力。通过这项技术，动物粪便或污水等含有碳水化合物的废物，都能为电冰箱和炉子提供电力，可以为生活在偏远地区的人带来帮助。

越来越多的实验倾向于利用生物能来解决诸如能源等问题。绿色燃料技术公司已经开始用一种海藻把烟囱排放的有害气体中的氮和二氧化碳转化成有机燃料。可以预见的是，生物能在不远的将来拥有无限的可能。

8、历史沿革

细菌发电的历史可以追溯到1910年。当年，英国植物学家马克·皮特首先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。于是他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液里，成功地制造出世界上第一个细菌电池。

1984年，美国科学家设计出一种太空飞船使用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌。不过，那时的细菌电池放电效率较低。

直到20世纪80年代末，细菌发电才有了重大突破，英国化学家彼得·彭托在细菌发电研究方面才取得了重大进展。他让细菌在电池组里分解分子，以释放出电子向阳极运动而产生电能。

据计算，利用这种细菌电池每100克糖可获得135.293×104库仑的电，其效率可达40%。这已远高于使用的太阳电池的效率，何况其还有再提高10%的潜力可挖。只要不断给这种细菌电池里添入糖，就可获得2安培的电流，且能持续数月之久。但是要很多的糖，如果把细菌放入甘蔗也许可以做一个甘蔗电池。

9、发展前景

2012年1月，美国宇航局向海军研究实验室航天器工程学部门的格雷戈里·斯科特颁发了一笔研究经费，帮助其进行用于微型行星探索机器人的细菌供电技术的初步研究。如果取得成功，未来的微型机器人行星探险家将采用有效而可靠的微生物燃料电池，无需科学家进行干预。

细菌还具有捕捉太阳能并把它直接转化成电能的“特异功能”。在死海和大盐湖里找到一种嗜盐杆菌，它们含有一种紫色素，在把所接受的大约10%的阳光转化成化学物质时，即可产生电荷。科学家们利用它们制造出一个小型实验性太阳能细菌电池，结果证明是可以用嗜盐性细菌来发电的，用盐代替糖，其成本就大大降低了。由此可见，让细菌为人类供电已不是遥远的设想，而是不久的现实。

科学家们为细菌发电这种新型的供电方式构思了广阔的前景。设想制造一种机器能够寻找并吃掉有机物来产生电流。基因测序的先驱者克雷格-温特认为，微生物供电的方法甚至可以减低对产油国的依赖。美国国家科学基金会的帕特立克-布尔劳尼克表示，细菌发电这种模式虽然还处于初级研究阶段，但它具有广阔的前景。为了证明这种供电方式的潜能，科学家们还设计了用细菌细胞为挂件玩具和其他装置供电。这一实验具有重要的现实意义。