细菌发电的历史与前景展望

细菌发电-历史

1910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。

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。

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产生电能。在糖液中他还添加了某些诸如染料之类的芳香族化合物作稀释剂，来提高生物系统中输送电力的能力。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。据计算，利用这种细菌电池每100克糖可获得135.293×10^4库仑的电，其效率可达40%。这已远高于目前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。

细菌发电-首次成功

美国植物学家马克·皮特在1910年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。

细菌发电-原理

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。在糖液中他还添加了某些诸如染料之类的芳香族化合物作稀释剂，来提高生物系统中输送电力的能力。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。据计算，利用这种细菌电池每100克糖可获得135.293×104库仑的电，其效率可达40%。这已远高于目前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。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。

细菌发电-糖原料细菌发电

两位美国科学家宣称，他们已发明了世界上第一种能够发电的“细菌电池”。这项研究是由五角大楼提供资金支持的，该项目的两位研究员马萨诸塞州立大学的斯瓦德斯·查德乌里(印度籍)和德里克·拉威莱(美国籍)说，这种电池的原料是地下的细菌，它们在吞噬糖的过程中，能够把能量转化为电。

这一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。拉威莱在接受媒体采访时说：“这是一种独特的有机体。”他还简要描述了这项技术的潜在应用价值。正处于研究阶段的细菌叫Rhodoferaxferriducens，是研究人员在弗吉尼亚奥伊斯特贝地底深处不通风的沉淀物中发现的，研究人员认为它是使糖氧化的最理想的“候选者”。两位科学家的研究成果已在专业杂志《自然生物工艺学》上发表。

他俩制造了一个有两个封闭空间的容器，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)：电源。

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。拉威莱说，它们的效率很低，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。

由查德乌里和拉威莱制造的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，将来有一天，它可以当做普通电池用。

不仅葡萄糖可以作为它的原料，而且果糖、蔗糖，甚至从木头和稻草中提取出来的含糖副产品的木糖，都可以充当它的原料。此外，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)。

如果所有的燃料都用完了，科学家仍旧有办法。拉威莱说，这种工艺确实会产生二氧化碳(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。拉威莱说：“从短期看，这种技术可用来生产手机电池。”

拉威莱说，这项技术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。他说美国国防部对这项技术非常感兴趣，他们计划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。对于那些生活在偏远地区的穷人来说，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。

细菌发电-重金属原料细菌发电

美国研究人员在美国《科学》周刊上发表文章称，一种能去除地下铀污染物的细菌也许能够发电。

美国马里兰州罗克维尔的基因组研究所和马萨诸塞大学组成的联合小组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。

据科学家介绍，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。

这种细菌还有能帮助其吞噬金属的基因。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。

细菌发电-相关研究

在淡水池塘中常见的一种细菌也可以用来连续发电。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。他们的发现有两个与众不同之处：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。

人们还发现，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”。最近，美国科学家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。

细菌发电-前景与研究

利用其原理，还可以建立细菌发电站。在10米见方的立方体盛器里充满细菌培养液，就可建立一个1000千瓦的细菌发电站，每小时的耗糖量为200千克，发电成本是高了一些，但这是一种不会污染环境的“绿色”电站，更何况技术发展后，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，因此，细菌发电的前景十分诱人。

现在，各发达国家如八仙过海，各显神通：美国设计出一种综合细菌电池，是由电池里的单细胞藻类首先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;日本将两种细菌放入电池的特制糖浆中，让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。