細(xì)菌發(fā)電，即利用細(xì)菌的能量發(fā)電。歷史可以追溯到1910年，英國(guó)植物學(xué)家馬克·皮特首先發(fā)現(xiàn)有幾種細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流。于是他以鉑作電極，放進(jìn)大腸桿菌或普通酵母菌的培養(yǎng)液里，成功地制造出世界上第一個(gè)細(xì)菌電池。

 定義

細(xì)菌發(fā)電，即利用細(xì)菌的能量發(fā)電。歷史可以追溯到1910年，英國(guó)植物學(xué)家馬克·皮特首先發(fā)現(xiàn)有幾種細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流。于是他以鉑作電極，放進(jìn)大腸桿菌或普通酵母菌的培養(yǎng)液里，成功地制造出世界上第一個(gè)細(xì)菌電池。

歷史

細(xì)菌發(fā)電的歷史可以追溯到1910年。當(dāng)年，英國(guó)植物學(xué)家馬克·皮特首先發(fā)現(xiàn)有幾種細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流。于是他以鉑作電極，放進(jìn)大腸桿菌或普通酵母菌的培養(yǎng)液里，成功地制造出世界上第一個(gè)細(xì)菌電池。

1984年，美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種太空飛船使用的細(xì)菌電池，其電極的活性物質(zhì)是宇航員的尿液和活細(xì)菌。不過(guò)，那時(shí)的細(xì)菌電池放電效率較低。

起源

直到20世紀(jì)80年代末，細(xì)菌發(fā)電才有了重大突破，英國(guó)化學(xué)家彼得·彭托在細(xì)菌發(fā)電研究方面才取得了重大進(jìn)展。他讓細(xì)菌在電池組里分解分子，以釋放出電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能。在糖液中他還添加了某些諸如染料之類(lèi)的芳香族化合物作稀釋劑，來(lái)提高生物系統(tǒng)中輸送電力的能力。在細(xì)菌發(fā)電期間，還要往電池里不斷充入空氣，用以攪拌細(xì)菌培養(yǎng)液和氧化物質(zhì)的混合物。據(jù)計(jì)算，利用這種細(xì)菌電池每100克糖可獲得135.293×10^4庫(kù)侖的電，其效率可達(dá)40%。這已遠(yuǎn)高于目前使用的太陽(yáng)電池效率，況且其還有再提高10%的潛力可挖。只要不斷給這種細(xì)菌電池里添入糖，就可獲得2安培的電流，且能持續(xù)數(shù)月之久。

研究

利用細(xì)菌發(fā)電原理，還可以建立細(xì)菌發(fā)電站。在10米見(jiàn)方的立方體盛器里充滿(mǎn)細(xì)菌培養(yǎng)液，就可建立一個(gè)1000千瓦的細(xì)菌發(fā)電站，每小時(shí)的耗糖量為200千克，發(fā)電成本是高了一些，但這是一種不會(huì)污染環(huán)境的"綠色"電站，更何況技術(shù)發(fā)展后，完全可以用諸如鋸末、秸稈、落葉等廢有機(jī)物的水解物來(lái)代替糖液，因此，細(xì)菌發(fā)電的前景十分誘人。

現(xiàn)在，各發(fā)達(dá)國(guó)家如八仙過(guò)海，各顯神通：美國(guó)設(shè)計(jì)出一種綜合細(xì)菌電池，是由電池里的單細(xì)胞藻類(lèi)首先利用太陽(yáng)光將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為糖，然后再讓細(xì)菌利用這些糖來(lái)發(fā)電;日本將兩種細(xì)菌放入電池的特制糖漿中，讓一種細(xì)菌吞食糖漿產(chǎn)生醋酸和有機(jī)酸，而讓另一種細(xì)菌將這些酸類(lèi)轉(zhuǎn)化成氫氣，由氫氣進(jìn)入磷酸燃料電池發(fā)電;英國(guó)則發(fā)明出一種以甲醇為電池液，以醇脫氫酶鉑金為電極的細(xì)菌電池。

糖原料細(xì)菌發(fā)電

兩位美國(guó)科學(xué)家宣稱(chēng)，他們已發(fā)明了世界上第一種能夠發(fā)電的“細(xì)菌電池”。這項(xiàng)研究是由五角大樓提供資金支持的，該項(xiàng)目的兩位研究員馬薩諸塞州立大學(xué)的斯瓦德斯·查德烏里(印度籍)和德里克·拉威萊(美國(guó)籍)說(shuō)，這種電池的原料是地下的細(xì)菌，它們?cè)谕淌商堑倪^(guò)程中，能夠把能量轉(zhuǎn)化為電。

這一原型電力裝置加滿(mǎn)原料后，可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)長(zhǎng)達(dá)25天，而且成本低，性能穩(wěn)定。拉威萊在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)：“這是一種獨(dú)特的有機(jī)體。”他還簡(jiǎn)要描述了這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用價(jià)值。正處于研究階段的細(xì)菌叫Rhodoferaxferriducens，是研究人員在弗吉尼亞奧伊斯特貝地底深處不通風(fēng)的沉淀物中發(fā)現(xiàn)的，研究人員認(rèn)為它是使糖氧化的最理想的“候選者”。兩位科學(xué)家的研究成果已在專(zhuān)業(yè)雜志《自然生物工藝學(xué)》上發(fā)表。

他倆制造了一個(gè)有兩個(gè)封閉空間的容器，每一個(gè)空間都有一個(gè)石墨電極，并被薄膜隔開(kāi)。其中一個(gè)空間中放有R.ferriducens，它們?cè)谄咸烟侨芤褐杏蝿?dòng)，在產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后分解為二氧化碳(CO2)和電子。電子被傳輸?shù)礁浇碾姌O(陽(yáng)極)，然后又通過(guò)外電路傳送到另一塊電極(陰極)：電源。

盡管有關(guān)微生物燃料電池的問(wèn)題很早便已提出，但直到現(xiàn)在他們?nèi)耘f面臨成本高以及能效低等問(wèn)題。拉威萊說(shuō)，它們的效率很低，一般為“10%或更低”，相對(duì)于它們提供的功率，這種產(chǎn)出所付出的成本極高。通過(guò)這種方式發(fā)電，最佳效率可達(dá)約50%。但這需要添加幾種起催化作用的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)可以穿過(guò)封閉空間的薄膜進(jìn)入容器，把自由電子傳輸?shù)疥?yáng)極。

不過(guò)，這幾種起催化作用的化學(xué)物質(zhì)的價(jià)格非常昂貴，而且還需要經(jīng)常補(bǔ)充，這使得它們不適于用做一種簡(jiǎn)單的長(zhǎng)期的能源。

由查德烏里和拉威萊制造的原型機(jī)能夠生成少量的電流，充其量只夠一個(gè)計(jì)算器或圣誕樹(shù)燈泡的電力供應(yīng)。然而，作為細(xì)菌電力的明證，這種機(jī)器誕生的影響不可估量。它的能效達(dá)到驚人的83%，這也預(yù)示著，一旦克服工程技術(shù)障礙，找到解決生產(chǎn)技術(shù)的方案，將來(lái)有一天，它可以當(dāng)做普通電池用。

原料

不僅葡萄糖可以作為它的原料，而且果糖、蔗糖，甚至從木頭和稻草中提取出來(lái)的含糖副產(chǎn)品的木糖，都可以充當(dāng)它的原料。此外，由于細(xì)菌穩(wěn)定性強(qiáng)，它們能夠在4℃到30℃(39.2至86華氏度)之間生長(zhǎng)。細(xì)菌的最佳生長(zhǎng)溫度為25℃(77華氏度)。

如果所有的燃料都用完了，科學(xué)家仍舊有辦法。拉威萊說(shuō)，這種工藝確實(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化碳(導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體)等對(duì)空氣造成污染的物質(zhì)，但與使用礦物燃料所排出的廢氣相比，它對(duì)全球變暖的危害要低得多。拉威萊說(shuō)：“從短期看，這種技術(shù)可用來(lái)生產(chǎn)手機(jī)電池。”

拉威萊說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)也可用于其他環(huán)境條件下，比如在充電條件困難以及成本高的情況下。他說(shuō)美國(guó)國(guó)防部對(duì)這項(xiàng)技術(shù)非常感興趣，他們計(jì)劃使用這項(xiàng)技術(shù)為監(jiān)視過(guò)往船只及潛艇的水下擴(kuò)音器和聲吶提供動(dòng)力。對(duì)于那些生活在偏遠(yuǎn)地區(qū)的窮人來(lái)說(shuō)，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，動(dòng)物糞便或污水等含有碳水化合物的廢物，都能為電冰箱和爐子提供電力。

重金屬原料細(xì)菌發(fā)電

美國(guó)研究人員在美國(guó)《科學(xué)》周刊上發(fā)表文章稱(chēng)，一種能去除地下鈾污染物的細(xì)菌也許能夠發(fā)電。

美國(guó)馬里蘭州羅克維爾的基因組研究所和馬薩諸塞大學(xué)組成的聯(lián)合小組破解了這種能吞噬金屬的地下細(xì)菌的基因圖譜，稱(chēng)它有100多個(gè)基因能夠使金屬發(fā)生化學(xué)變化，使之產(chǎn)生電能。

據(jù)科學(xué)家介紹，這種地下細(xì)菌的基因組中有100個(gè)或更多的基因，能編碼不同的C型細(xì)胞色素，還具有能來(lái)回移動(dòng)電子的蛋白質(zhì)。

這種細(xì)菌還有能幫助其吞噬金屬的基因。此外，這種先前被認(rèn)為只能在無(wú)氧環(huán)境里存在的細(xì)菌，可能具有在有氧條件下發(fā)揮某種功能的基因。它們能在深層地下水中產(chǎn)生電能，這比先前預(yù)計(jì)的清潔環(huán)境的用處更大。

其他的研究

在淡水池塘中常見(jiàn)的一種細(xì)菌也可以用來(lái)連續(xù)發(fā)電。這種細(xì)菌不僅能分解有機(jī)污染物，而且還能抵抗多種惡劣環(huán)境。他們的發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)與眾不同之處：首先是發(fā)電的細(xì)菌屬于脫硫菌家族，這個(gè)家族的細(xì)菌在淡水環(huán)境中很普遍，而且已被人類(lèi)用于消除含硫的有機(jī)污染物;其次是在外界環(huán)境不利或養(yǎng)分不足時(shí)，脫硫菌可以變成孢子態(tài)，而孢子能夠在高溫、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境中生存，一旦環(huán)境有利又可以長(zhǎng)成正常狀態(tài)的菌株。用這種細(xì)菌制成的燃料電池，只要有足夠的有機(jī)物作為“食物來(lái)源”，電池中的細(xì)菌就能通過(guò)分解食物持續(xù)釋放出帶電粒子。

人們還發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌還具有捕捉太陽(yáng)能并把它直接轉(zhuǎn)化成電能的“特異功能”。最近，美國(guó)科學(xué)家在死海和大鹽湖里找到一種嗜鹽桿菌，它們含有一種紫色素，在把所接受的大約10%的陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成化學(xué)物質(zhì)時(shí)，即可產(chǎn)生電荷。科學(xué)家們利用它們制造出一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)性太陽(yáng)能細(xì)菌電池，結(jié)果證明是可以用嗜鹽性細(xì)菌來(lái)發(fā)電的，用鹽代替糖，其成本就大大降低了。由此可見(jiàn)，讓細(xì)菌為人類(lèi)供電已不是遙遠(yuǎn)的設(shè)想，而是不久的現(xiàn)實(shí) 。

對(duì)人類(lèi)的主要表現(xiàn)

生物學(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)將是細(xì)菌發(fā)電造福人類(lèi)的時(shí)代。

說(shuō)起細(xì)菌發(fā)電，可以追溯到1910年。英國(guó)植物學(xué)家利用鉑作為電極放入大腸桿菌的培養(yǎng)液中，成功地制造出了世界上第一個(gè)細(xì)菌電池1984年，美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出太空飛船使用的細(xì)菌電池，其電極的活性物質(zhì)是宇航員的尿液和活細(xì)菌。到了80年代末，細(xì)菌發(fā)電有了重大突破，英國(guó)科學(xué)家讓細(xì)菌在電池組里分解分子，釋放電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電能。操作時(shí)還在糖液中添加某些芳香化合物作為稀釋液，來(lái)提高生物系統(tǒng)輸送電子的能力。與此同時(shí)，還要往電池里不斷地充入空氣，用以攪拌細(xì)菌培養(yǎng)液和氧化物質(zhì)的混合物。據(jù)計(jì)算，

前景

利用這種細(xì)菌電池發(fā)電，其效率可達(dá)40%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在使用的電池的效率，且能持續(xù)數(shù)月之久。即使這樣，還有10%的潛力可挖掘。

利用細(xì)菌發(fā)電原理，可以建立較大規(guī)模的細(xì)菌發(fā)電站。計(jì)算表明，一個(gè)功率為1000千瓦的細(xì)菌發(fā)電站，僅需要10立方米體積的細(xì)菌培養(yǎng)液，每小時(shí)消耗200千克糖即可維持其運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。這是一種術(shù)會(huì)污染環(huán)境的“綠色”’電站，而且技術(shù)發(fā)展后，完全可以用諸如鋸末、秸稈、落葉等廢有機(jī)物的水解物來(lái)代替糖液。因此，細(xì)菌發(fā)電的前景十分誘人。

現(xiàn)在，各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家各顯神通，在細(xì)菌發(fā)電研究方面取得了新的進(jìn)展。美國(guó)設(shè)計(jì)出一種綜合細(xì)菌電池，里面的單細(xì)胞藻類(lèi)可以利用太陽(yáng)光將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為糖，然后再讓細(xì)菌利用這些糖來(lái)發(fā)電。日本科學(xué)家同時(shí)將兩種細(xì)菌放入電池的特種糖液中，讓其中的一種細(xì)菌吞食糖漿產(chǎn)生醋酸和有機(jī)酸，而讓另一種細(xì)菌將這些酸類(lèi)轉(zhuǎn)化成氫氣，由氫氣進(jìn)入磷酸燃料電池發(fā)電。

社會(huì)評(píng)價(jià)

人們還驚奇地發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌還具有捕捉太陽(yáng)能并把它直接轉(zhuǎn)化成電能的特異功能。最近美國(guó)科學(xué)家在死海和大鹽湖里找到一種嗜鹽桿菌，它們含有一種紫色素，在把所接受的大約10%的陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成化學(xué)物質(zhì)時(shí)，即可產(chǎn)生電荷。科學(xué)家們利用它們制造出一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)性太陽(yáng)能細(xì)菌電池，結(jié)果證明是可以用嗜鹽性細(xì)菌來(lái)發(fā)電的，用鹽代替糖，其成本就大大降低了。由此可見(jiàn)，讓細(xì)菌為人類(lèi)供電已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)，不久的將來(lái)即可成為現(xiàn)實(shí)。