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細菌發電,即利用細菌的能量發電。歷史可以追溯到1910年,英國植物學家馬克·皮特首先發現有幾種細菌的培養液能夠產生電流。於是他以鉑作電極,放進大腸桿菌或普通酵母菌的培養液里,成功地製造出世界上第一個細菌電池。作為一種綠色無污染的新型能源,細菌發電經過一個世紀的發展,逐步受到世界各國的重視,2012年,美宇航局擬用細菌為行星探索機器人供能。

1發展歷史

進展
直到20世紀80年代末,細菌發電才有了重大突破,英國化學家彼得·彭托在細菌發電研究方面才取得了重大進展。他讓細菌在電池組裡分解分子,以釋放出電子向陽極運動而產生電能。在糖液中他還添加了某些諸如染料之類的芳香族化合物作稀釋劑,來提高生物系統中輸送電力的能力。在細菌發電期間,還要往電池裡不斷充入空氣,用以攪拌細菌培養液和氧化物質的混合物。據計算,利用這種細菌電池每100克糖可獲得1.35293×10^6庫侖的電能,其效率可達40%。這已遠高於目前使用的太陽電池效率,況且其還有再提高10%的潛力可挖。只要不斷的給這種細菌電池裡添加糖,就可獲得2安培的電流,且能持續數月之久。但是要很多的糖,如果把細菌放入甘蔗?也許可以做一個甘蔗電池。
2012年1月,美國宇航局向海軍研究實驗室航天器工程學部門的格雷戈里·斯科特頒發了一筆研究經費,幫助其進行用於微型行星探索機器人的細菌供電技術的初步研究。如果取得成功,未來的微型機器人行星探險家將採用有效而可靠的微生物燃料電池,無需科學家進行干預。

2細菌發電原理

利用細菌發電原理,可以建立較大規模的細菌發電站。計算表明,一個功率為1000千瓦的細菌發電站,僅需要10立方米體積的細菌培養液,每小時消耗200千克糖即可維持其運轉發電。這是一種不會污染環境的「綠色」電站,而且技術發展后,完全可以用諸如鋸末、秸稈、落葉等廢有機物的水解物來代替糖液。因此,細菌發電的前景十分誘人。
細菌電池在各個發達國家各顯神通,在細菌發電研究方面取得了新的進展。美國設計出一種綜合細菌電池,裡面的單細胞藻類可以利用太陽光將二氧化碳和水轉化為糖,然後再讓細菌利用這些糖來發電。日本科學家同時將兩種細菌放入電池的特種糖液中,讓其中的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電。
人們還驚奇地發現,細菌還具有捕捉太陽能並把它直接轉化成電能的特異功能。美國科學家在死海和大鹽湖裡找到一種嗜鹽桿菌,它們含有一種紫色素,在把所接受的大約10%的陽光轉化成化學物質時,即可產生電荷。科學家們利用它們製造出一個小型實驗性太陽能細菌電池,結果證明是可以用嗜鹽性細菌來發電的,用鹽代替糖,其成本就大大降低了。由此可見,讓細菌為人類供電已經不再遙遠,不久的將來即可成為現實。

3細菌種類

以糖為原料的地下細菌
兩位美國科學家宣稱,他們已發明了世界上第一種能夠發電的「細菌電池」。這項研究是由五角大樓提供資金支持的,該項目的兩位研究員馬薩諸塞州立大學的斯瓦德斯·查德烏里(印度籍)和德里克·拉威萊(美國籍)說,這種電池的原料是地下的細菌,它們在吞噬糖的過程中,能夠把能量轉化為電。
這一原型電力裝置加滿原料后,可以正常運轉長達25天,而且成本低,性能穩定。拉威萊在接受媒體採訪時說:「這是一種獨特的有機體。」他還簡要描述了這項技術的潛在應用價值。正處於研究階段的細菌叫Rhodoferaxferriducens,是研究人員在弗吉尼亞奧伊斯特貝地底深處不通風的沉澱物中發現的,研究人員認為它是使糖氧化的最理想的「候選者」。兩位科學家的研究成果已在專業雜誌《自然生物工藝學》上發表。
儘管有關微生物燃料電池的問題很早便已提出,但直到現在他們仍舊面臨成本高以及能效低等問題。拉威萊說,它們的效率很低,一般為「10%或更低」,相對於它們提供的功率,這種產出所付出的成本極高。通過這種方式發電,最佳效率可達約50%。但這需要添加幾種起催化作用的化學物質,這些化學物質可以穿過封閉空間的薄膜進入容器,把自由電子傳輸到陽極。
不過,這幾種起催化作用的化學物質的價格非常昂貴,而且還需要經常補充,這使得它們不適於用做一種簡單的長期的能源。
由查德烏里和拉威萊製造的原型機能夠生成少量的電流,充其量只夠一個計算器或聖誕樹燈泡的電力供應。然而,作為細菌電力的明證,這種機器誕生的影響不可估量。它的能效達到驚人的83%,這也預示著,一旦克服工程技術障礙,找到解決生產技術的方案,將來有一天,它可以當做普通電池用。
他倆製造了一個有兩個封閉空間的容器,每一個空間都有一個石墨電極,並被薄膜隔開。其中一個空間中放有R.ferriducens,它們在葡萄糖溶液中遊動,在產生化學反應後分解為二氧化碳(CO2)和電子。電子被傳輸到附近的電極(陽極),然後又通過外電路傳送到另一塊電極(陰極):電源。

4細菌原料

不僅葡萄糖可以作為它的原料,而且果糖、蔗糖,甚至從木頭和稻草中提取出來的含糖副產品的木糖,都可以充當它的原料。此外,由於細菌穩定性強,它們能夠在4℃到30℃(39.2至86華氏度)之間生長。細菌的最佳生長溫度為25℃(77華氏度)。
如果所有的燃料都用完了,科學家仍舊有辦法。拉威萊說,這種工藝確實會產生二氧化碳(導致溫室效應的氣體)等對空氣造成污染的物質,但與使用礦物燃料所排出的廢氣相比,它對全球變暖的危害要低得多。拉威萊說:「從短期看,這種技術可用來生產手機電池。」
拉威萊說,這項技術也可用於其他環境條件下,比如在充電條件困難以及成本高的情況下。他說美國國防部對這項技術非常感興趣,他們計劃使用這項技術為監視過往船隻及潛艇的水下擴音器和聲吶提供動力。對於那些生活在偏遠地區的窮人來說,通過這項技術,動物糞便或污水等含有碳水化合物的廢物,都能為電冰箱和爐子提供電力。

5發展前景

其他研究
在淡水池塘中常見的一種細菌也可以用來連續發電。這種細菌不僅能分解有機污染物,而且還能抵抗多種惡劣環境。他們的發現有兩個與眾不同之處:首先是發電的細菌屬於脫硫菌家族,這個家族的細菌在淡水環境中很普遍,而且已被人類用於消除含硫的有機污染物;其次是在外界環境不利或養分不足時,脫硫菌可以變成孢子態,而孢子能夠在高溫、強輻射等惡劣環境中生存,一旦環境有利又可以長成正常狀態的菌株。用這種細菌製成的燃料電池,只要有足夠的有機物作為「食物來源」,電池中的細菌就能通過分解食物持續釋放出帶電粒子。
人們還發現,細菌還具有捕捉太陽能並把它直接轉化成電能的「特異功能」。最近,美國科學家在死海和大鹽湖裡找到一種嗜鹽桿菌,它們含有一種紫色素,在把所接受的大約10%的陽光轉化成化學物質時,即可產生電荷。科學家們利用它們製造出一個小型實驗性太陽能細菌電池,結果證明是可以用嗜鹽性細菌來發電的,用鹽代替糖,其成本就大大降低了。由此可見,讓細菌為人類供電已不是遙遠的設想,而是不久的現實。
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