微生物燃料电池.docx

一、促进发展的因素：（一）世界能源消耗自工业革命以来，随着生产力发展和科技进步，人类开发和利用自然资源的能源的能力大幅提升，化石能源的大规模开采及使用对社会经济发展，尤其对工业化、城市化起到了重要推动作用，但人类与自然之间的关系也随之发生了根本性变化。随着工业经济的发展、人口的剧增、人类欲望的无限上升和对自然资源无节制地大规模开采，全球能源消费急剧增加。这不仅使世界能源供应面临严重危机，而且二氧化碳的过度排放导致全球气候变暖，对人类社会的可持续发展构成严峻挑战。正是在这样的国际背景下，世界各国开始寻求以减少二氧化碳排放为目的的低碳经济发展模式。低碳经济是人类在面临全球气候变暖、环境恶化和能源短缺的残酷现实背景下提出的经济理论，它开辟了一条人类社会经济可持续发展的新路径。随着人类认识的逐步深化和实践的深入，低碳经济的内涵也不断丰富和扩展，但低碳经济至今还没有约定俗成的定义。目前，国际上将低碳经济定义为“以可持续发展理念为指导，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源与可再生能源开发等多种手段，尽量减少煤炭、石油、天然气等高碳能源消耗，减少温室气体排放，遏制全球气候变暖，实现经济社会发展与生态环境保护“双赢”的一种经济发展形态”。从低碳经济的定义可以看出，低碳经济的实质是提高能源效率，特征是低消耗、低排放、低污染、高附加值，核心是技术创新和制度创新，实现途径是产业结构调整、生产方式和消费方式转变，目的是实现人类社会的可持续发展。低碳经济是一个新兴的概念，它是对传统经济发展模式的扬弃，是顺应时代发展潮流的一种全新的经济发展模式。发展低碳经济是减少二氧化碳排放，延缓全球气候变暖，保护人类共同家园的一种有效途径。 对于发展新能源产业，中国同发达国家在发展动机上有着部分共同的出发点。同时，中国在资源构成、经济现状、科技水平上有着自己独特的国情特征。因此，对于中国新能源产业发展，需要因地制宜，研究确立具有中国特色的新能源产业发展思路。 新能源产业是体现国家战略的新兴产业，对中国经济的长期持续发展，以及在国际产业竞争中占据主导地位，都具有重要意义;中国新能源产业是目前还处于初创期的新兴产业;同时，新能源产业是国际产业竞争的重要领域，也是产业技术快速发展的领域。新能源产业发展的这些特征，决定了需要选择与其他产业不同的战略路径。能源作为中国国民经济发展的重要保障，领先的能源工业发展水平是大国国家综合实力的集中体现。世界上许多国家都把保障能源安全列为首要的国家战略目标，如俄罗斯、美国等国家就己经运用军事、政治等各种手段保障其国家能源的安全。中国能源安全的一个制约性因素是人口众多，导致能源资源的相对医乏。（二）环境污染大量使用化石能源造成了严重的环境和生态问题。首先，大量使用正在生产的化甀产的化石能源己经造成了严重的环境污染问题。据调查数据显示，二氧化硫的排放量己经远远超出环境可以承载的程度，在全国监测的338个城市，63. 5%的城市空气质量处于中度或严重污染状态川。燃煤产生的氮氧化物形成酸雨，在一定条件下，继北欧、北美之后，中国己成为世界第三大酸雨国，近62%的南方城市有酸雨，覆盖面积占近30 o二氧化硫污染对我们的自然资源、生态系统和公共健康构成了严重威胁，造成巨大的经济损失，严重影响了国民经济和人们的正常生活。由于无法实施有效控制，据估计，到2020年左右，由空气污染造成的疾病将要付出近4亿美元的经济损失。其次，大量的油、煤等传统能源的使用，从而导致二氧化碳、氮氧化物和其他温室气体的连续排放。（三）宇宙探索出自他的名著实践理性批判的结尾：“有两种东西，我们越是经常、越是执著地思考它们，心中越是充满永远新鲜、有增无减的赞叹和敬畏-我们头上的灿烂星空，我们心中的道德法则。” 一般都是作为科尼斯堡的康德墓碑上的墓志铭被提到！总体来说，人类对宇宙的探索是由模糊到清晰、简单到复杂、迷信到科学、肤浅到精深的过程。探索宇宙有着深远的意义，这是人类发自本能追寻万事万物的起源，了解宇宙环境对地球及生命的影响，拓展自身生存空间的探索。地球只是一个摇篮，人类生于地球，但地球只是人类的摇篮，它太小了。而开发宇宙资源的重要性就在于，宇宙是人类未来的主要资源来源。寻找其他高级智慧生命，探索自然规律造福人类，提高境界指导人生才是其最终目的。 从人类在探索宇宙的过程，我们可以感受到一代又一代的人渴望解开宇宙的奥秘，一直在致力于对宇宙奥秘的探索，并为此付出了很多努力，让我们对我们生活的地球和广袤的宇宙有了新的认识，也不再盲目迷信。事物是不断变化发展的，人的认识水平受各种客观条件限制，但一旦这个科技水平得到提高，人类对宇宙的认知就会有所提高。人是不断打破旧理论，提出新理论，在探索宇宙的道路上不断前进的。阿姆斯特朗曾说过：对于一个人来说，这只是一小步，但对人类来说，这却是巨大的一步。思想有多远，我们就能走多远，我相信人类在宇宙探索的旅途上越走越远，相信我们终有一天会征服无垠的星空！飞向宇宙是技术方向的方向.人类发展科技的目的是什么,就是为了从自然界获取更大的力量,更多的资源.改善自己的生存条件.地球毕竟只有那么大,人类的技术发展方向必然是宇宙,我们需要飞得更远,更快,到其他星球上去,到宇宙中去.这是我们的方向,是我们的目的.至于说,宇航技术的发展可以带动其他技术的发展,比如说阿波罗计划为我们带来了不粘锅,那只是附带的,不是宇航发展的主要目的和动机.宇宙是人类未来的主要资源来源.从经济上来说,人类社会是一个依靠资源消耗发展起来的文明,随着地球上的资源越来越少,人类资源消耗的速度越来越快,我们只能向宇宙要资源.探索是人类天然的兴趣,飞行是人类天然的爱好任何有关宇宙和探索的话题都能引起整个社会的巨大兴趣.宇宙探索的成绩有助于增强社会的凝聚力,有助于激励社会的进取精神,有助于吸引年轻人的科学兴趣.地球只是一个摇篮人类生于地球,但地球只是人类的摇篮,它太小了.总有一天,人类会耗尽地球的资源,总有一天,地球将容不下人类巨大的野心,总有一天,地球上的文明将会被各种不可预知的天灾人祸所摧毁.只有走出地球,人类才能长大,只有走出地球,人类才能继续的在这个宇宙中生存下去.人类必须走出地球,而且必须在人类文明夭折之前.二、微生物发电原理从L 巴斯德( 法国化学家,1 82 1 89 5 )和J.李斯特( 英国外科阵牛,18 27 一1 9 12) 的年代起, 一般的文献就把微生物描述为人类凶恶的敌人。然而在最近几年, 生物技术已经表明, 这些小家伙对我们分外友好,实际土可能对我们有益。其他方面的进展也表明, 微生物发电的潜力是很大的。现在已经有基于生物电化学原理的传感器和电池等样机装置。这些装置依靠细菌和面包酵母等其它微生物的功能, 通过产生电子流的过程使食物分解, 产生的电子则与氧起作用。这种过程称为呼吸过程。可以期望的生物电化学的应用, 将包括生物样品的细胞计数器 把蔗坤筹琪料直接转化为电沐的电池和清除土业垃圾的生物反应器等。十八世纪,一意大利医生及物理学家L. 伽凡尼在青蛙腿上发现了“ 动物电” , 从而把电与代谢过程联系了起来。微生物燃料电池的核心概念是: 细菌通过称为还原的化学过程稗地出电子。十九世纪, 细胸生物学家郎利用这种反应来使生物组织样品染色。活组织能吸收染料并使之还原d 还原过程即能使各个细胞内的不向部位呈现不同的颜色变化。这种颜色变化有助于细胞生物学家鉴别微生物并对微生物进行计数。1 9 川年, 达累姆大学植物学教授M.C. 波特尔宣布, 微生物能够产生电压并发生电流。他把一个铂电极放入面包酵母或大肠杆嘟勺培养液中。这个电极作为负极, 产生一个相对于第立个电极的负电势, 第二个电极是在不含微生物的培养液中作为正极用的。波特尔直觉地认识到, 这种微生物姗料电池的龟子是由微生物的食物降解产生的。他无法用当时仅仅属于想象的代谢过程的生化原理来解释他的实验结果。但当时的科学界并没有因此而畏缩不前。后来, 微生物学家和酶学象南明了细菌中的酶是如何氧化其食物的。那时波特尔的微生物燃料电池己基本二被遗忘了。191 3年, 剑桥大学的柯恩复活了波特尔的思想。他记述了微生物燃料电池的电池组产生3 5伏日上电压的情况。然而, 直到宇航世纪的来临和出现一石油圆乏, 才重新引起对这一课题的注意。本世纪六十年代, 美国国象航空和航天管理局曾支持许多生物电的研究计划, 如把有机垃圾转化为电流的方法。一些研究者用酵母或细菌使葡萄糖、椰子油和谷类表皮等燃料发酵, 产生乙醇或氢等二次燃料。然后普通的嫩料电池再氧化二次漱料产生电能。这种电池的样机可供晶体管收音机使用。后来由于美国国家航空和航夭管理局的兴遂减退, 费用缩减, 许多研究未免土于仓促。而微生物燃料电池的研究工作在日木( M l 叨进行了工学教育的改革, 从试验的结果, 得出人解决各种问题: 必须有理解和应用自然科学、社会科学的能力, 最重要的是“ 临床经验” 的结论。英国的教育部几也指出, 工学教育的重点应放在理论和应用及实践方面, 在工学教育中开展“ 技术科学” 的教育, 培养出新一代有能力的人材:泽 1用二次燃料的燃料电池，由于发酵会放菊攀菊而丧朱熊量，故能量利用率较低。，六十年代，在南美表杀7有少数科学家把波特尔和柯思比较直接的方祛俘持叮来。_其中有一个是美国人M阿伦牌阐朗了大肠枉菌的代谢行为。但阿伦未能使微生物的食物转化为息流的转化率超过10l0 0 另一些科学家则率先采用各种不同的细菌申甲烷娜舞释牛来发电:木比耳石伸公司用了奸氏菌，康奈尔大掌挤验了假甲烷单蝴氮阿根廷的研究小组则挤产生琴佛状细球菌。这些尝试均成恤毗些微生物电流。问题在于微生物有着脂肪性膜和细r指.C，会抑制微生物对重子源的利用。保持数天甚球举早期的电流胞生物学象熟知的化学物质，介体是生物化学家和细因为它们能加速电子的传输，夕1发现挤对于酶和细胞组织的娜早必不可少的。我;介体能够渗入禅生物时表层并从后者内部提取出电子。_户当微线物分解(或代谢)食物的大分子时，含电子很多的中间体。中间体释放出的电子，会产生不象一般的呼吸过程那样交给氧，厚的分体把电子送到负极而是给予介体。然后被还电子从负极经由回路回到正极7跟氧和氢离子结合生成水。介体的作用，部分地解决了电荷传输的细胞壁垒问题。 1981年，以科学和工程研究委员会生物技术刁侧组的$3000美元拨款为后盾，我们皇家学院的一个小组一开始研究多响微生物发电的关键所在。微生物燃料电池的苛行性，部夯地取决于其发电容量一有多少燃料能释放电荷转化为氧化产物言以前，这类电池的发电容量小得无法精确测量，但我们证明了由变形杆菌的葡萄糖完全氧化至少可以获取放出的一半电子的电流。效率不是太高，这是因为微生物仅使葡萄糖发生一部分降解至乙酸醋的程度。 日本物理化学研究所的团南嘉和子，198。年到伦敦作休假访问期间，曾与我们共同进行过介体的初步试验。月到东京后，她曾证明:同样是微生物燃料电池，含有更贪食的大肠杆菌的，较之含变形杆菌的有更高的发电容量，能量利用率达7080男。加嫉糖的大肠杆菌的电子输出更为显著。酵母多酵母多 际上能使全部蔗糖发生分解代翻生成二氧化碳和水发电蓉量达到每摩尔蔗糖4拉第h最理给值。携生物燃矜电他也苛以使用生要由蔗搪、葡萄糖和果模组成的糖蜜以及含500,糖的帆猜等木纯的糖类。泊一系列试验中，以乳糖或乳清为食的大肠杆菌的特列菌种，连续提供了兰个月的电流。这些试验也揭示了陈化微生物的分解不一定会限制微生物燃料电池的郊能等生物学方面的伺题、。 :我介摄大的微连三物燃料电池箱内容有一20a毫升含微生物Ah活掖，能提供2安培以上的电流一.这只提-.应药成绩。然有，我J的土作主要不在于设计更大的微生物然料电i组，而是着重在更坚实的科学基褪士ha“细菌能源”。可以料到，.一些分解产物会降低电池的工作质量，这也是i多其他类型的燃料电池存在的兵尚问题。将来的改进将包浩祀微生物悬浮在电极孔币以保持稳是等更好的方法。分氏 龟极的类垫十分重要，因为电极固有的电阻及其极化性能决定着徽生物燃料电池输出的电压和电流。发电容爱高的电他，其能量利用率可达5b%以上。我们需瞅摊质伞的炜;多辘它们固定在电极旁的聚合物拳载体土，便介体输出龟子的路程缩短。代谢过程中微生物产生的酸，则可被能破坏酸的正极所去掉，么种碳一空气型的正极在市场王谈许已有供应。 如果我们承认薇生物燃料电池是可用的，那么，将在何处又如何能得到广泛的利用呢?工农业各部门均有许多便宜的可氧化物质的来源，开发这种材料来源的最好刺激方法，乃是苗工业投入衰多的资金。微生物燃料电他的声扩大n技术的费用往往难以枯计，研究的投资常因工业管理政治上的偏见和不正常而得不到保障。约翰逊马赛初究所曾准备冒险尝试研制这种技术。但当其在银行界的股Y.在美国遭受了巨大的金融损失后，一系列的计划就不得不被束之高阁了。 曾根据微生物的呼吸速率预计:微生物燃料电池的最大功率约为每克微生物1安培电流或1伏电池约为1瓦。这样大小的功率已具有实用价值，如使用更好的电极及通过遗传改良的微生物，功率还可增大。 一制造功率为微瓦或毫瓦的电池的“缩小分技术，或许是微生物燃料电池最有利的前景。微生物电池中的搪类有很高的发电容量，约为一4安培小时一千克一，比铅或锌高得多而接近于锉。这是因为微生物含有很多衡，故能通过一系列反应把燃料完全氧化的缘故。不绚0:境的搪将可供每小时需100毫安电流( 360库伦)1 微生物开发的MFCs以前只有很少的微生物可以用来发电。最近观察到， 大多数微生物可用于MFCs。MFC 的概念在1910年初被证明，其中大肠杆菌和酵母属用铂电极发电1。尽管在20 世纪80 年代初，当电子介体使用电子传递增加电力增加的时候， 这个概念被提升了很多倍，虽然没有得到很多的关注。除阳离子外，微生物不能直接将电子传递到阳极。大多数微生物物种的外层由非导电脂质膜，肽聚糖和脂多糖组成，这阻止了电子转移到阳极的促进2。2 MFC 的设计MFC 的基本组件在构造中很重要。电极，炭布，微生物和盐桥具有重要的作用。盐桥用燃料电池中的质子交换膜替代。虽然增加了成本，但处理和发电都得到了增强，从而增加了系统的可移植性和效率。2.1 双室燃料电池：通常，这种类型的MFC 具有通过PEM 连接的阳极和阴极室，其介导从阳极到阴极的质子转移，同时阻止氧扩散到阳极中。这种类型的系统通常用于同时发电的废物处理。将两室MFC 扩大到工业规模是非常困难的。此外， 阴极室的定期通气也限制了双室MFC 的应用范围。2.2 单燃料电池：它们由简单的阳极室， 其中没有确定的阴极室，并且不含有质子交换膜。多孔阴极利用氧气从阴极室的一侧形成，使质子扩散。它们比双室燃料电池结构简单，因此最近发现了广泛的利用和研究兴趣。阳极是正常的碳电极，但阴极是多孔碳电极或与柔性炭布电极结合的PEM。阴极通常用石墨覆盖，其中以稳定的方式浇注电解质，其表现为阴极电解液。2.3 堆积微生物燃料电池：这些是燃料电池堆叠形成燃料电池的另一种结构。这种结构不会影响每个电池的单个库仑效率，总体电池的整体电池的输出可以与普通电源相当。这些可以串联堆叠或并联堆叠。两者都具有自己的重要性，功率效率高，可以实际用作电源。3 条件和实验操作对MFC 的影响电极材料，质子交换膜或盐桥和阳极和阴极的操作条件对MFC 有重要影响。电极材料决定了单室MFC 中氧气的扩散系数。如果电极更多孔，则允许氧扩散到阳极，这降低了燃料电池的效率。电极材料还根据内阻确定燃料电池的功率损耗3。电极的寿命也是重要的标准。但最重要的标准是成本。如果电极被腐蚀或饱和，可以更换电极，如果微生物是非膜制造的并且存在于液体阳极电解液中，则不会影响条件。质子交换膜也起重要作用， 但它们非常昂贵，需要适当的安装程序来限制堵塞和干燥带来的影响。但是它们使组装非常稳定，因此可用于实际条件4。膜表面积与系统体积的比率对于系统性能至关重要。多孔聚合物和玻璃棉等替代膜已经过测试，但大多数时候都不被研究人员利用。一些研究人员使用聚乙烯通过在1,2- 二氯乙烷中与氯磺酸磺化制备了它们自己的聚合物。但没有一个像Nafion 膜那样有效率。操作条件如溶解氧（DO）含量是重要参数。阳极使用低DO，但阴极使用高DO。但是较高的DO 便可通过多孔膜将更多的氧扩散到阳极室。发现氧饱和阴极液是最佳的。燃料或底物浓度也起重要作用。虽然较高的燃料是优选的，但大多数时候它对微生物是抑制性的。因此，在批量工作模式下，连续系统和适当的进料浓度应保持适当的进料速率。4 MFCs 的应用最明显的使用MFC 是电力的来源。它们可以用于农村和城市部门。虽然到目前为止，通过燃料电池的发电在小规模方面效率不高，但是大规模的使用可以是有效的。这些燃料转换效率达到70以上，不限于卡诺循环。据报道，电力回收率高达8097。最佳利用方式是将电力储存在充电电池中。低功率无线系统也可以使用MFC 供电。已经报道了使用MFC 利用体内葡萄糖来植入医疗装置的研究。机器人还具有很高的使用MFC 来维持自我维持的自主机器人。可以进行废水处理，最有利的是，通过处理也可以实际利用电力。从该过程产生较少的固体废物，并且所产生的电可用于对污泥进行充气。所以它可以是一个自给自足的设施。与传统方法不同，它可以将大部分乙酸和碳化合物完全分解成二氧化碳和水。MFC中使用的一些物质还可以利用硫化物和其他形式的硫化合物。由于大规模实施，上行模式MFC 和单腔结经验交流 122 2017年第18 期随着世界人口数量的不断增长及全球经济的迅速发展，能源危机日趋严重。同时，以石油、天然气和煤碳为代表的传统化石能源在燃烧产能过程中会产生气态和固态的环境污染物，所引发的环境污染问题也日趋严重1。探索和开发转换效率高、环境污染少的绿色新型能源成为全世界关注的焦点2。微生物燃料电池( Microbial Fuel Cell，MFC) 是一种利用微生物代谢活动将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的生物反应装置。微生物燃料电池利用废弃物进行发电，在处理废水的同时产生电能，而且发电过程不会产生任何污染环境的有害气体，被视作一种高效益、低能耗、清洁环保的新型废水处理工艺3 5。微生物燃料电池处理废水不同于传统的活性污泥处理方法，其原理是利用微生物的新陈代谢作用降解污水中的有机污染物质，并将污染物质中潜在的化学能直接转化为电能，实现污水处理与能源再生的同步进行。在适当的反应条件下，MFC 可以从有机物中提取90%以上的电能，电子传递效率足够高的情况下，完全可以达到能源再生和自给自足，实现环境保护和能量再利用，极具发展前景6 8。近年来，微生物燃料电池废水处理方面的研究逐渐增多，但利用微生物燃料电池处理各类废水的研究工作大多数仍处于实验室研究阶段9。微生物燃料电池属于复杂的生物电化学反应系统，诸如环境温度、基质浓度、生物环境、负载扰动等大量因第42 卷第12 期2014 年12 月燃料化学学报Journal of Fuel Chemistry and TechnologyVol42 No12Dec 2014素对其运行性能都会产生显著影响10， 11。因此，在大量投入应用前，需解决微生物燃料电池的稳定性、可靠性、产电效率等问题。餐饮废水属于高含量有机废水，排放波动性大、污染负荷高、成分复杂。目前，对餐饮废水的处理一般采用吸附、凝聚和絮凝等方式，存在处理成本高、处理率低等问题12。近年来，餐饮废水的处理问题逐渐引起废物资源化研究领域的关注，一些利用餐饮废水生产沼气13、餐饮废水生物制氢14等方面的研究报道逐渐增多。但利用餐饮废水直接进行发电方面研究的报道还极少。实验研究不同电解液及污水稀释比条件下，双室微生物燃料电池处理食堂餐饮废水的净水效果和发电性能，探求适宜MFC 废水处理与同步发电的运行环境。微生物燃料电池具有处理餐饮废水并同时进行发电的能力。不同的阴极电解液形成的电子传递能力不同。选择适当的电解液，能够促使更多的从阳极室转移至阴极室的电子与氧气发生反应，从而增大产电量。NaCl 溶液相比于K3Fe( CN)6 溶液和Fe( NO3)3溶液，更适合作为微生物燃料电池的阴极电解液。在浓度为04 mol /L 的NaCl 作为阴极电解液且污水稀释比为2 1的条件下，MFC 系统的发电量最大，稳态电流密度为88 mA /m2，此时，污水处理效果也比较理想，COD 去除率为333%。实验微生物燃料电池处理餐饮废水的污水处理效果和发电效率均不理想。进一步的工作将继续深入探索影响微生物燃料电池整体运行效果的各方面因素，从工艺配置、材料制备、自动控制等方面优化微生物燃料电池系统，进一步提高微生物燃料电池的污水处理能力和同步产电能力。技术原理编辑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。1-3 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。4-5 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。1 5 主要原料编辑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）。1-3 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。1-3 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。1-2 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”。1-3 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。1-3 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。1-3 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。1-3 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。1-3 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。1-3 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。8-9 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1-3 。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。8-9 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。8 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。10 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。11 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。11 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。12-13 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。12-13 岩石菌种编辑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。14-15 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。14-15 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。14-15 主要用途编辑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。1-2 14 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。16 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。1-2 7 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。16 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，把自由电子传输到阳极。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。1-3 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。” 4-5 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。4-5 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。1 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。4-5 历史沿革编辑细菌发电资料图(6张) 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。1-3 8 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。1-3 17 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。1-2 14 据计算，利用这种细菌电池每100克糖可获得135.293104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。1-3 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。发展前景编辑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。18 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1-3 。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三、前景和困难随着将垃圾转变为有用产品技术的出现，由于能量需求不断增加，能源持续减少所带来的问题以及对污染的忧虑有所减缓。如今有些研究人员又瞄上了家庭、食品加工和其它来源的有机垃圾，将其视为能量的原料在被称为微生物燃料电池(MFCs)装置中，利用Rhodoferax和Geobacter细菌分解有机垃圾，将它们的化学键能量转换为电力和氢气。 重要的能源 根据发表在2004年5月1日环境科学和技术 (Environmental Science & Technology) 杂志上的宾夕法尼亚州立大学氢能中心主任Bruce Logan的文章，美国每年要处理家用废水46万亿立升，耗费高达250亿美元，所需要的电能(主要用于通风)占全国消耗总电能的1.5%，圣路易斯的华盛顿大学化学工程系助理教授Lars Angenent说。据Angenent介绍，用微生物燃料电池处理废水，可以将处理废水所需的大部分能量节省下来。他说用这样一个微生物燃料电池装置处理一家大型食品加工厂的垃圾，可以产生足以供应900户家庭用电。据Logan说，微生物燃料电池可以减少晾干废水中活性淤泥的成本，用电量减少一半，而产生的需处理的固体物质则减少了5090%。 Logan在其发表在2004年5月1日的文章中提到以上微生物燃料电池的潜能，他写道，2002年美国消耗的总能量为97 quad(1015个英国热力单位的缩写)，其中13 quad用于产生电能。假如氢气成为运输燃料的一种选择(许多人都相信能做到这点)，而大部分氢气基本产自石油，那么为了用水制造氢气，还另需12 quad的能量。 据Logan介绍，全美国一年所产生的家用废水含相当0.11 quad能量的有机物质，家畜生产的废水含0.3 quad能量，食品加工废水可能含0.1 quad能量。这一数量虽然不算太大，但有