提起發(fā)電，人們往往會聯(lián)想到火電、水電、風(fēng)電、核電、太陽能發(fā)電等方式。其實，小小的細菌也能發(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。
增強希瓦氏菌發(fā)電能力
希瓦氏菌是一種嗜好重金屬的細菌，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，甚至用來發(fā)電。最近，來自美國加利福尼亞州大學(xué)圣巴拉拉分校的研究團隊在《化學(xué)》期刊上發(fā)表論文稱，經(jīng)由化學(xué)方式改造后，他們增強了希瓦氏菌的發(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年被分離出來的一種厭氧菌，其細胞中的帶電蛋白質(zhì)對它的“呼吸”至關(guān)重要，通過蛋白質(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，研究團隊開發(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行了測試，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，但它只能在無氧環(huán)境下存活下來?；诖?，科研人員利用DSFO+讓希瓦氏菌菌株能在細菌里生存幾周的時間。
“我們用這種替換分子取代了細菌細胞膜上的蛋白質(zhì)，它可以促進向呼吸膜表面?zhèn)鬟f電子的過程。這種發(fā)電的方式讓我們有機會研究微生物上這種此前被認為不存在的行為。”研究人員吉列爾莫·巴贊說。
通常，科學(xué)家可以對有機體的基因進行修改，但流程相當(dāng)復(fù)雜，還需要通過各種手段防止微生物從實驗室“逃逸”到野外，因此很難將其用于現(xiàn)實世界。相比之下，通過化學(xué)方式改造的這種希瓦氏菌，其“影響”則相對有限。每經(jīng)過一次繁殖，DSFO+的含量就會被稀釋掉一部分，并最終恢復(fù)到“初始狀態(tài)”。
聰明的細菌
其實，細菌發(fā)電并不是一個新鮮事物，細菌發(fā)電原理的發(fā)現(xiàn)要追溯到100多年前。
1910年，英國植物學(xué)家馬克·皮特首先發(fā)現(xiàn)了有幾種細菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流。于是，他以鉑作電極，放進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細菌電池。
1984年，美國設(shè)計出一種供遨游太空使用的細菌電池，其電極的活性物質(zhì)是宇航員的尿液和活細菌，不過這種細菌電池放電率極低。直到20世紀80年代末，英國化學(xué)家彼得·彭托在細菌發(fā)電研究方面才取得了重大進展。他讓細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賓夕法尼亞州州立大學(xué)工作時就參與了利用細菌電池原理用廢水發(fā)電的研究。研究團隊用污水處理站的污水進行實驗，成少安負責(zé)實驗裝置的搭建和電極材料的研發(fā)。“在最初的可行性驗證階段，細菌發(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，我們知道細菌正在工作。”此后，成少安一直致力于細菌發(fā)電技術(shù)的研究。
細菌產(chǎn)生的電流來自細菌體內(nèi)新陳代謝產(chǎn)生的電子。但細菌發(fā)電的效率非常低，電量很微弱。如何讓細菌體內(nèi)的電子盡可能多地跑到電極上去，這是該領(lǐng)域研究者面對的一個重要問題。
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，可供許多細菌棲息。陰極也是一個巧妙的設(shè)計，既可以滴水不漏，又不阻攔空氣的自由流通，能為好氧細菌提供所需的氧氣。
“細菌比我們想象的聰明得多。”成少安說，一開始課題組用一層薄膜把污水中的細菌分成厭氧、好氧兩個“房間”，但“墻壁”會令電池內(nèi)部的電阻增大，影響發(fā)電效率。拆掉“墻壁”會怎樣呢?課題組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細菌進入反應(yīng)器一段時間之后，無需人為干預(yù)，就會自動“站隊”，形成兩個區(qū)域，好氧的細菌緊貼在空氣陰極一側(cè)，厭氧的細菌則舒舒服服地附著在另一頭的碳材料陽極上工作。“這樣，我們的反應(yīng)結(jié)構(gòu)就可以簡化不少。”
廣闊的應(yīng)用前景
如今，經(jīng)過科學(xué)家的不斷努力，細菌電池的發(fā)電效率正在不斷上升，這也使得越來越多的科學(xué)家看到了細菌燃料電池的前景。2005年前后，這一領(lǐng)域的研究熱度在全世界延伸開來。
近幾年，細菌發(fā)電領(lǐng)域的成果不斷被公布出來。2015年，美國賓漢姆頓大學(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，電力來源正是細菌。這種可折疊的紙質(zhì)電池，依靠紙作為傳感器實現(xiàn)自發(fā)電。細菌則能通過新陳代謝產(chǎn)生足夠的能量，成為電力來源。任何含有細菌的原料，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只有火柴盒大小，但已足夠為一盞小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)合作研究的細菌電池，首先以細菌用電力合成醋酸鹽，然后再利用細菌把醋酸鹽轉(zhuǎn)化成電力。細菌電池充電16小時后，可提供8小時電力。
隨后，英國牛津大學(xué)的一支科研團隊表示，他們成功模擬了一個生物能源發(fā)電站。研究人員使用計算機來控制細菌的運動，讓它們在液體中懸浮游動。之后，他們在這些細菌中間加入輪狀結(jié)構(gòu)，其周圍的細菌就會圍繞著這些輪狀物運動。這會產(chǎn)生一些微小的電量，為一些小型設(shè)備供電。
對于細菌發(fā)電的應(yīng)用前景，成少安表示，廢水處理是很重要的一個方向。“細菌經(jīng)過‘馴化’，就能持續(xù)地消耗廢水中的有機物，既清潔了廢水，又能發(fā)電，而且對環(huán)境‘零負擔(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的，細菌發(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。“垃圾是放錯地方的資源。”成少安說，“我們通過計算得出，一個10萬人小城市的生活產(chǎn)生的污水用來發(fā)電的話，可以供給1000戶人家的用電量。”
細菌發(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，未來要想讓細菌發(fā)電技術(shù)走出實驗室，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，通過基因改造，帶來產(chǎn)電活性更高的細菌類型;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。
