提起發(fā)電，人們往往會(huì)聯(lián)想到火電、水電、風(fēng)電、核電、太陽(yáng)能發(fā)電等方式。其實(shí)，小小的細(xì)菌也能發(fā)電。這也是如今被全世界不少科學(xué)家研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。
增強(qiáng)希瓦氏菌發(fā)電能力
希瓦氏菌是一種嗜好重金屬的細(xì)菌，這種特性使其可以被用于清潔被污染的水體中的鐵、鉛、汞元素，甚至用來(lái)發(fā)電。最近，來(lái)自美國(guó)加利福尼亞州大學(xué)圣巴拉拉分校的研究團(tuán)隊(duì)在《化學(xué)》期刊上發(fā)表論文稱，經(jīng)由化學(xué)方式改造后，他們?cè)鰪?qiáng)了希瓦氏菌的發(fā)電能力。這為污水處理廠開啟了另一扇“治水發(fā)電”的大門。
希瓦氏菌是1988年被分離出來(lái)的一種厭氧菌，其細(xì)胞中的帶電蛋白質(zhì)對(duì)它的“呼吸”至關(guān)重要，通過(guò)蛋白質(zhì)之間的化學(xué)變化可以產(chǎn)生電子，形成電流。這一發(fā)現(xiàn)幫助科學(xué)家研究出一種全新的以有機(jī)物為材料的清潔燃料電池。
為了更好地利用希瓦氏菌的這一發(fā)電特性，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種名叫“DSFO+”的合成分子。研究人員在希瓦氏菌的兩種變異株系上進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DSFO+不僅可以完全取代天然的導(dǎo)電蛋白質(zhì)，還能夠更有效地完成任務(wù)。即使希瓦氏菌菌株本身就具備發(fā)電能力，但它只能在無(wú)氧環(huán)境下存活下來(lái)。基于此，科研人員利用DSFO+讓希瓦氏菌菌株能在細(xì)菌里生存幾周的時(shí)間。
“我們用這種替換分子取代了細(xì)菌細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)，它可以促進(jìn)向呼吸膜表面?zhèn)鬟f電子的過(guò)程。這種發(fā)電的方式讓我們有機(jī)會(huì)研究微生物上這種此前被認(rèn)為不存在的行為。”研究人員吉列爾莫·巴贊說(shuō)。
通常，科學(xué)家可以對(duì)有機(jī)體的基因進(jìn)行修改，但流程相當(dāng)復(fù)雜，還需要通過(guò)各種手段防止微生物從實(shí)驗(yàn)室“逃逸”到野外，因此很難將其用于現(xiàn)實(shí)世界。相比之下，通過(guò)化學(xué)方式改造的這種希瓦氏菌，其“影響”則相對(duì)有限。每經(jīng)過(guò)一次繁殖，DSFO+的含量就會(huì)被稀釋掉一部分，并最終恢復(fù)到“初始狀態(tài)”。
聰明的細(xì)菌
其實(shí)，細(xì)菌發(fā)電并不是一個(gè)新鮮事物，細(xì)菌發(fā)電原理的發(fā)現(xiàn)要追溯到100多年前。
1910年，英國(guó)植物學(xué)家馬克·皮特首先發(fā)現(xiàn)了有幾種細(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)設(shè)計(jì)出一種供遨游太空使用的細(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)這種細(xì)菌電池放電率極低。直到20世紀(jì)80年代末，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)菌在電池組里分解電子，電流能持續(xù)數(shù)月之久。此后，各種細(xì)菌電池相繼問世。
浙江大學(xué)能源工程學(xué)院教授成少安在美國(guó)賓夕法尼亞州州立大學(xué)工作時(shí)就參與了利用細(xì)菌電池原理用廢水發(fā)電的研究。研究團(tuán)隊(duì)用污水處理站的污水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，成少安負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建和電極材料的研發(fā)。“在最初的可行性驗(yàn)證階段，細(xì)菌發(fā)電的電量只有幾毫瓦，但看到渾濁的廢水慢慢變得清澈時(shí)，我們知道細(xì)菌正在工作。”此后，成少安一直致力于細(xì)菌發(fā)電技術(shù)的研究。
細(xì)菌產(chǎn)生的電流來(lái)自細(xì)菌體內(nèi)新陳代謝產(chǎn)生的電子。但細(xì)菌發(fā)電的效率非常低，電量很微弱。如何讓細(xì)菌體內(nèi)的電子盡可能多地跑到電極上去，這是該領(lǐng)域研究者面對(duì)的一個(gè)重要問題。
于是，電極材料的研發(fā)也吸引了很多科學(xué)家。比如，成少安就發(fā)明了碳纖維陽(yáng)極。從微觀看，這些碳纖維的表面非常粗糙，形成了廣闊的表面積，可供許多細(xì)菌棲息。陰極也是一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)，既可以滴水不漏，又不阻攔空氣的自由流通，能為好氧細(xì)菌提供所需的氧氣。
“細(xì)菌比我們想象的聰明得多。”成少安說(shuō)，一開始課題組用一層薄膜把污水中的細(xì)菌分成厭氧、好氧兩個(gè)“房間”，但“墻壁”會(huì)令電池內(nèi)部的電阻增大，影響發(fā)電效率。拆掉“墻壁”會(huì)怎樣呢?課題組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)菌進(jìn)入反應(yīng)器一段時(shí)間之后，無(wú)需人為干預(yù)，就會(huì)自動(dòng)“站隊(duì)”，形成兩個(gè)區(qū)域，好氧的細(xì)菌緊貼在空氣陰極一側(cè)，厭氧的細(xì)菌則舒舒服服地附著在另一頭的碳材料陽(yáng)極上工作。“這樣，我們的反應(yīng)結(jié)構(gòu)就可以簡(jiǎn)化不少。”
廣闊的應(yīng)用前景
如今，經(jīng)過(guò)科學(xué)家的不斷努力，細(xì)菌電池的發(fā)電效率正在不斷上升，這也使得越來(lái)越多的科學(xué)家看到了細(xì)菌燃料電池的前景。2005年前后，這一領(lǐng)域的研究熱度在全世界延伸開來(lái)。
近幾年，細(xì)菌發(fā)電領(lǐng)域的成果不斷被公布出來(lái)。2015年，美國(guó)賓漢姆頓大學(xué)的研究人員開發(fā)出可折疊的柔性紙電池，這款電池的主要原料是紙，電力來(lái)源正是細(xì)菌。這種可折疊的紙質(zhì)電池，依靠紙作為傳感器實(shí)現(xiàn)自發(fā)電。細(xì)菌則能通過(guò)新陳代謝產(chǎn)生足夠的能量，成為電力來(lái)源。任何含有細(xì)菌的原料，比如汗液或臟水，都可以用作發(fā)電材料。這種柔性紙電池雖然折起來(lái)只有火柴盒大小，但已足夠?yàn)橐槐K小LED燈提供所需電量。
2016年，荷蘭瓦根尼罕大學(xué)與瓦赫寧恩大學(xué)合作研究的細(xì)菌電池，首先以細(xì)菌用電力合成醋酸鹽，然后再利用細(xì)菌把醋酸鹽轉(zhuǎn)化成電力。細(xì)菌電池充電16小時(shí)后，可提供8小時(shí)電力。
隨后，英國(guó)牛津大學(xué)的一支科研團(tuán)隊(duì)表示，他們成功模擬了一個(gè)生物能源發(fā)電站。研究人員使用計(jì)算機(jī)來(lái)控制細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)，讓它們?cè)谝后w中懸浮游動(dòng)。之后，他們?cè)谶@些細(xì)菌中間加入輪狀結(jié)構(gòu)，其周圍的細(xì)菌就會(huì)圍繞著這些輪狀物運(yùn)動(dòng)。這會(huì)產(chǎn)生一些微小的電量，為一些小型設(shè)備供電。
對(duì)于細(xì)菌發(fā)電的應(yīng)用前景，成少安表示，廢水處理是很重要的一個(gè)方向。“細(xì)菌經(jīng)過(guò)‘馴化’，就能持續(xù)地消耗廢水中的有機(jī)物，既清潔了廢水，又能發(fā)電，而且對(duì)環(huán)境‘零負(fù)擔(dān)’。”
目前被廣泛應(yīng)用的廢水處理技術(shù)本身就是以消耗電能為代價(jià)的，細(xì)菌發(fā)電的技術(shù)一旦成熟走向應(yīng)用，廢水本身就可以成為發(fā)電的資源。“垃圾是放錯(cuò)地方的資源。”成少安說(shuō)，“我們通過(guò)計(jì)算得出，一個(gè)10萬(wàn)人小城市的生活產(chǎn)生的污水用來(lái)發(fā)電的話，可以供給1000戶人家的用電量。”
細(xì)菌發(fā)電技術(shù)還有其他一些應(yīng)用方向，比如在太空飛船上可以利用細(xì)菌把尿液等轉(zhuǎn)變成可飲用的水，海洋中的潛水艇也是一樣。這是一個(gè)可以用高效、低成本的方法解決能源問題的路徑之一。
成少安表示，未來(lái)要想讓細(xì)菌發(fā)電技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，還需要不同領(lǐng)域科學(xué)家的共同努力。比如，生物學(xué)背景的科學(xué)家可以從微生物角度去研究，通過(guò)基因改造，帶來(lái)產(chǎn)電活性更高的細(xì)菌類型;從工程材料的角度，科學(xué)家可以研究何種電極材料能夠產(chǎn)生更大的功率等。
