林琪

人類的能源越來越短缺，開發(fā)新能源成為當今最重要課題，各種設計發(fā)明不斷出現，科學家預言，21世紀將是細菌發(fā)電造福人類的時代。

在不久前發(fā)布的《2014世界最具影響力的科研精英》報告中，展示了最新的全球最具影響力的研究人員（亦稱為“高被引科研人員”）名單，浙江大學能源工程學院教授成少安入選環(huán)境與生態(tài)學科的“高被引科學家”，入選原因則是他“馴化”了成千上萬細菌，使它們能利用污水來發(fā)電。

細菌發(fā)電就是讓細菌在電池組里分解分子，以釋放出電子向陽極運動產生電能。細菌中的電子含量總是很飽滿，它需要一個可以釋放電子的途徑。如果把電極放在某種含鐵的沉積物中，并把它連成一個圈，細菌就可以釋放電量，形成奇特的細菌發(fā)電。

利用污水發(fā)電的“細菌電池”

幾十個比火柴盒大一些的透明“盒子”在實驗室里擺著，仔細一看，盒子上方的兩個小孔，一個孔注入污水，一個孔則排出被細菌“消化”后變得清澈的水……原來，這就是成少安的細菌電池“原型”。

據介紹，盒子的兩側是兩塊圓形的材料，一個是負極，一個是正極。細菌在正極表面生長，靠消耗廢水中的有機物新陳代謝，產生的電子則傳遞到電極上，在上面加一個載荷，就形成了電流。

“我們從每平方米電極材料產生零點幾毫瓦，到幾十毫瓦電，再提高到幾千毫瓦，已經提高到5個數量級?！背缮侔舱f，細菌經過“馴化”，就能持續(xù)地消耗廢水中的有機物。

細菌發(fā)電帶給成少安的，不僅僅是他回國后的成就，第一次給他帶來心靈上的感觸，是他還在國外進行研究的時候。當時美國賓州州立大學的教授布魯斯·洛根曾提出，如果細菌能讓污水發(fā)電實現，那么既處理了污水，又產出了電能，一舉兩得。于是，布魯斯·洛根的課題組從污水廠取來污水，開始了雄心勃勃的實驗。而當時課題組成員之一的成少安則負責實驗裝置的搭建和電極材料的研發(fā)?！霸谧畛醯目尚行则炞C階段，電量只有幾毫瓦，但我看到渾濁的廢水慢慢變得清澈，說明細菌在工作！”成少安說，那是細菌第一次帶給他感動與信心。

2009年，成少安回到母校浙江大學繼續(xù)他的研究。他的課題組一方面對細菌燃料電池的發(fā)電機理做進一步研究，另一方面也在進行大體量單體細菌電池的研發(fā)。

細菌電池的難點之一，是讓盡可能多的細菌附著在電極表面，而不是在污水中“散漫”地游泳。為了給細菌提供一個環(huán)境，讓他們能高效工作。成少安將電極材料的研發(fā)作為攻關方向。

“細菌比我們想象的聰明得多。”成少安說。比如，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，當細菌進入反應器一段時間之后，無需人為干預，就會自動“站隊”，形成兩個區(qū)域，好氧的細菌緊貼在空氣負極一側，而厭氧的細菌則“舒舒服服”地附著在另一頭的碳材料正極上工作?！斑@樣，我們的反應結構就可以簡化不少！”如今，成少安設計的實驗裝置和材料，由于十分巧妙，被全世界很多實驗室沿用。

各式各樣的細菌發(fā)電

事實上，細菌發(fā)電由來已久，在過去的十幾年間，不少研究組嘗試了各種方式、不同類型的細菌發(fā)電，事實證明，細菌發(fā)電的技術在這十幾年來的發(fā)展中愈發(fā)成熟。

時間可以追溯到1910年，英國植物學家馬克·皮特首先發(fā)現有幾種細菌的培養(yǎng)液能夠產生電流。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。

隨后，科學界對細菌發(fā)電的關注逐漸升溫。1984年美國科學家曾在太空飛船試驗細菌電池，其電極間的活性物質為宇航員的尿液和活細菌，不過那時的細菌電池放電量很低。到了20世紀八十年代未，細菌發(fā)電才有重大的突破。英國化學家彼得·彭托在細菌發(fā)電研究方面取得了重大進展。他讓細菌在電池組里分解電子，電流能持續(xù)數月之久。

此后，各種細菌電池相繼問世。美國環(huán)境微生物學家德里克·拉烏雷發(fā)現了一種嗜糖細菌。當這種細菌吃糖時，它把葡萄糖液轉化為二氧化碳，同時產生電子。在這種細菌新陳代謝的過程中，能轉換糖里80%以上的有效電子。這種微生物不僅靠蔗糖、果糖和葡萄糖等單糖來完成工作，也可以依靠木頭和稻草里的木糖。由于穩(wěn)定性強，拉烏雷博士說：“從短期看，這種技術可以用來生產手機電池?！毕胂褚幌?，哪天你的手機電池沒電了，而你只需順手從身邊舀上一小勺糖，填進手機里，你就又可以自由通話了。

而美國賓夕法尼亞大學的科研人員發(fā)明出的污水發(fā)電機則更加環(huán)保了，它不僅能發(fā)電，還可以分解污水中有害的有機物質，節(jié)省能源且環(huán)保。那是一個15厘米長的密封罐，當有機污水被引入罐內后被細菌酶分解，在此過程中釋放出電子和質子。在電子流向正極的同時，質子通過罐內的質子交換膜流向負極，并在那里與空氣中的氧及電子結合成水。在完成上述分解污水過程的同時，罐內電極之間的電子交換產生了電壓，使該設備能夠給外部電路供電。而據研究員介紹，該設備在當時的發(fā)電量只達到其發(fā)電潛力的1/10。

就在去年，美國斯坦福大學的工程師設計出一種從污水中“提取”潛在電能的新型方式，用自然界存在的“產電菌”設計的一種微生物電池，能夠在消化分解污水中動植物廢物時，充當小型的高效發(fā)電廠。

據介紹，目前，他們的實驗室原型有一節(jié)D型電池般的大小，看起來像一個化學實驗，有正負兩個電極，插入到一瓶廢水中。小瓶里，像藤壺附著在船體上，食用有機廢物顆粒的細菌附著在負極上產生電力，所發(fā)出的電子被電池正極捕獲。人們通過電子顯微鏡可以看見，在電池的負極，“產電菌”將其乳白色卷須粘住碳絲，作為有效電導體。這些微生物攝取有機物質，并將其轉換成生物燃料，并將其多余的電子排放入碳細絲，碳細絲連至正極，正極由吸引電子的材料氧化銀制成。

在正電極存儲多余電子的過程中，一天左右可滿荷電子，而流入正極節(jié)點的電子逐漸使氧化銀減少形成銀，最大程度上將其還原為銀，然后將銀從電池中取出，又可重新形成氧化銀循環(huán)使用。

細菌發(fā)電前景誘人

這么多種類型的細菌電池在不斷地刷新它的放電量，那它究竟能帶來多大的經濟效益呢？科研人員舉例說，2008年，美國的一家污水處理廠加裝微生物能源系統，項目總投資約800萬美元，效果是每年污泥處理量減少約25%-30%，處理費用節(jié)省了約40萬美元；每年產電300萬度，節(jié)省了約40萬美元。按照美國相關的產業(yè)政策，包括因減少甲烷氣體排放量而節(jié)省的處罰費用等在內，4年左右可收回總投資。

除了經濟效益，從能源方面看好處也不少。如斯坦福大學研究的這種細菌電池，可以提取約30%在廢水中的潛在能源，與市面銷售最好的太陽能電池的光電轉換率大致相同。當然，廢水能量潛力不太大。但發(fā)明者表示，即便如此，細菌電池也值得研究，因為它可能會補償一些用于處理廢水的電力。他們希望它會用于污水處理廠，或分解湖泊和沿海水域“死區(qū)”里的有機污染物，減少化肥和其他有機廢物對水里氧氣的消耗降低窒息海洋生物的危險。如今他們最大的挑戰(zhàn)將是找到一種廉價而高效的正極材料，他們表示由于運用了氧化銀的作用原理，但大規(guī)模使用銀太貴，而找到合適的新材料還需要一段時間。

美國的污水處理技術已經發(fā)展了100多年了，但是通過細菌分揀的方法進行凈化和發(fā)電也才剛剛起步，而中國也在逐步發(fā)展起來。

“中國現階段保守估計廢水總排放量在400億噸每年，污水中蘊含著巨大的能量，而能量回收率卻微乎其微。將污水中的能源利用起來，這將是一筆巨大的環(huán)保財富?！币粐鴥瓤蒲腥藛T表示說。廢水量如此之多，用實驗室里這樣迷你的裝置肯定不行，還要做擴大化研究，這樣才能在現實中應用，要讓這項技術走出實驗室，尚需時日。

細菌發(fā)電的前景十分誘人。現在美國、英國、日本等發(fā)達國家各顯神通。美國在去年研究出效率高達83%的細菌電池，還研究出利用太陽能的細菌電池；日本將兩種細菌放入電池的特制糖漿中，讓一種細菌吞食糖漿產生醋酸和有機酸，而讓另一種細菌將這些酸類轉化成氫氣，由氫氣進入磷酸燃料電池發(fā)電；英國則發(fā)明出一種以甲醇為電池液，以醇脫氫酶鉑金為電極的細菌電池。

作為一種綠色無污染的新型能源，細菌發(fā)電經過一個世紀的發(fā)展，逐步受到世界各國的重視。人類的能源越來越短缺，開發(fā)新的能源是當今急需的課題，科學家預言，21世紀可能將是細菌發(fā)電造福人類的時代。