微生物燃料電池并不是一個新概念。早在1910年，英國植物學(xué)家馬克·比特首次發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流，他用鉑作為電極成功制造出了世界第一塊微生物燃料電池。最近，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)環(huán)境工程系教授Bruce Logan的研究組嘗試開發(fā)微生物燃料電池，試圖將未經(jīng)處理的污水轉(zhuǎn)變成干凈的水，同時發(fā)電。該項技術(shù)未來還可能實現(xiàn)海水淡化。

科技的發(fā)展能令許多塵封的夢想照進(jìn)現(xiàn)實。一塊看上去如此“微小”的電池，究竟隱含了怎樣“巨大”的能量?

污水中蘊含電能價值

目前，污水處理費時、費錢，還消耗大量能量，基本是個只投入不產(chǎn)出的行業(yè)，成為各國政府頭疼的一大難題。有數(shù)據(jù)稱，5%的電力消費被用于污水處理。因此，又能凈化水質(zhì)、又能發(fā)電的微生物燃料電池一旦出現(xiàn)，將有望把污水處理變成一個有利可圖的產(chǎn)業(yè)。Bruce Logan教授認(rèn)為，未來污水處理廠通過使用微生物燃料電池不僅可以滿足自身用電，還能向外輸電。

雖然目前還沒有商業(yè)產(chǎn)品問世，但多倫多大學(xué)的科學(xué)家戴維·伯格雷曾估計，污水中潛在的電能價值是其處理成本的10倍。Bruce Logan教授則認(rèn)為，只要能利用潛在電能的1/20，污水處理廠就可以解決污水處理成本。不過他估計，微生物燃料電池實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用還需5~10年。在現(xiàn)階段，突破工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵問題仍然是如何繼續(xù)降低成本、提高電池性價比。

據(jù)悉，在早期的研究中，Bruce Logan所在的研究小組使用了大量昂貴的材料，如昂貴的石墨電極、聚合物以及鉑等貴金屬。但其最新的電池系統(tǒng)已經(jīng)使用了更便宜并且更環(huán)保的材料。“我們現(xiàn)在已經(jīng)可以不用任何貴金屬了。”Bruce Logan教授說。

尚處于實驗室階段 但應(yīng)用前景廣闊

中國科學(xué)院廣州能源所研究員孔曉英在接受采訪時表示，微生物燃料電池目前還處于實驗室研究階段。但經(jīng)過科研工作者的不懈努力，它在各個方面都取得了顯著突破。

微生物燃料電池的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，原料已由簡單的葡萄糖、乙酸發(fā)展到各種廢水、農(nóng)業(yè)和畜牧廢棄物、城市生活有機(jī)垃圾、海水河水沉積物等復(fù)雜的材料。在功能上，也由單純的產(chǎn)電拓展到處理廢水、輔助產(chǎn)氫、海水淡化、土壤修復(fù)及CO2的捕獲等。微生物燃料電池有很多不同的‘模樣’，從兩室到陰極和質(zhì)子膜壓合在一起的單室,從有膜到無膜，從電池單體到電池組，小到紐扣電池，大到大型柱狀電池，無不體現(xiàn)了科研人員豐富的想象力及創(chuàng)造力。

微生物燃料電池與其他電池相比，具有燃料來源多樣化、操作條件溫和、無需能量輸入、能量利用的高效性、生物相容性等獨有特點。但是與化學(xué)燃料電池相比，微生物燃料電池的功率輸出大約低4個數(shù)量級。

雖然微生物燃料電池在電能輸出方面沒有競爭優(yōu)勢，但是在很多方面有很好的應(yīng)用前景，可以發(fā)展為廉價、長效的電能系統(tǒng)。將廢水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成電能，能為邊遠(yuǎn)地區(qū)或無人的地方提供微能源，修復(fù)土壤，淡化鹽水，協(xié)助產(chǎn)氫，它還可以成為新型的人體起搏器、生物傳感器等。然而，如何集成各方面的優(yōu)勢技術(shù)，使微生物燃料電池得到廣泛應(yīng)用是亟待解決的問題。另外，利用復(fù)雜有機(jī)物產(chǎn)電的機(jī)制、微生物群落代謝網(wǎng)絡(luò)等問題仍需深入研究。

優(yōu)勢：將有機(jī)物“變廢為寶”

英國布里斯托爾機(jī)器人實驗室的研究人員克里斯·梅爾赫什表示，從理論上來說，只需要找到合適的微生物，微生物燃料電池可由任何有機(jī)物質(zhì)來驅(qū)動。

合適的微生物要滿足兩個條件：一是能夠很好地利用原料;二是將代謝原料產(chǎn)生的電子傳遞到電池電極上。”孔老師舉例說，例如想利用富含纖維素的廢紙、木頭、玉米葉、玉米稈等制作微生物燃料電池，首先要找到纖維素降解微生物。牛的胃液是不錯的選擇，可從活奶牛胃里獲取瘤胃胃液，通過置入到奶牛瘤胃上的套管提取胃液，然后將含纖維素的原料及含纖維素降解微生物的胃液混合后加入到燃料電池裝置中，經(jīng)過反復(fù)“馴化”，使微生物適應(yīng)電極的電子傳遞，就可能得到一種利用廢棄有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池。美國俄亥俄州立大學(xué)就是利用奶牛胃液制作了降解纖維素的燃料電池。

微生物燃料電池的原料很廣泛，不同類型的電池原料也不同，如處理廢水的微生物燃料電池的主要原料就是廢水，土壤修復(fù)的微生物燃料電池原料是土壤。

那些新奇的微生物“發(fā)電”新技術(shù)

可以說，幾乎任何類型的有機(jī)廢物材料都可作為微生物燃料電池的產(chǎn)電原料，如麥草秸稈、動物糞便以及葡萄酒、啤酒或奶制品行業(yè)的廢水等。但不管什么類型的微生物燃料電池，所采用的原料本質(zhì)上都是糖類、醇類、蛋白質(zhì)等有機(jī)物。

專家評析：

利用尿液或者乳清來制造微生物燃料電池在實驗室進(jìn)行基礎(chǔ)研究是可行的，以上兩個發(fā)現(xiàn)都是在特定的條件下實現(xiàn)的。在尿液制作微生物燃料電池的實驗中，研究人員利用了無疾病人員正常代謝產(chǎn)生的尿液作為培養(yǎng)液，對來自污水處理廠的活性污泥進(jìn)行“馴化”，以此構(gòu)建的微生物燃料電池得到了極小的電能。由于微生物在低濃度的情況下對有機(jī)原料是可以正常啟動的，但在高濃度下，則要進(jìn)行稀釋。同時，如果在實際運行中找到合適的產(chǎn)電微生物及高效的電池配置，也能廣泛地利用各種成分的尿液或乳清，并提高電能。

“血糖發(fā)電”：日本東北大學(xué)開發(fā)出了一種利用血液中的糖分發(fā)電的燃料電池。這樣的生物電池可為植入糖尿病患者體內(nèi)的測定血糖值的裝置提供充足的電量，為心臟起搏器提供能量。

“尿液發(fā)電”：為處理密閉的宇宙飛船里宇航員排出的尿液，美國宇航局設(shè)計了一種巧妙的方案：用微生物中的芽孢桿菌來處理尿液，它會產(chǎn)生氨氣，以氨氣作為微生物電池的電極活性物質(zhì)，這樣既處理了尿液，又得到了電能。一般在航天條件下，每人每天排出22克尿，能得到47瓦電力。

“乳清發(fā)電”：希臘研究人員研發(fā)出了以乳清為原料的微生物燃料電池。研究人員表示，乳清是制造奶酪的副產(chǎn)品，該研究可讓工廠從乳清等有機(jī)廢物中回收能源。乳清富含乳糖，微生物燃料電池中的微生物通過消耗乳糖來產(chǎn)生電流。這種新型燃料電池雖然最近幾年才走進(jìn)大眾的視野，但它正在吸引越來越多人的關(guān)注，人們希望它在處理廢物的同時產(chǎn)生電力。