細菌發電

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。細菌發電經過一個世紀的發展，逐步受到世界各國的重視，科學家們表示，這種技術可用來生產手機電池。2012年，美宇航局擬用細菌為行星探索機器人供能。

細菌發電工藝會產生二氧化碳（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。

技術原理

細菌發電的原理是讓細菌在電池組裡分解分子，以釋放出電子向陽極運動產生電能。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。

但自然界中這種沉積物不多，因此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。如果把電極放在這種含鐵的沉積物中，並把它連成一個圈，細菌就可以釋放電量。就這樣產生了奇特的細菌電源。

科學家還發現有些可以產生電流的細胞如Geobacter在細胞外長有長長的、纖細的絲。即細菌的這些細長的絲可能是它們純天然的“電線”。後來經過試驗證明，電流確實流經這些細絲。以前實驗室的工作人員德里克拉烏里和其他科學們認為細菌只有靠著電極才可以發電，而這些長在細菌細胞外的細絲卻說明細菌可以遠距離發電。這樣成千上萬個細菌就可以同時向一個電極發電，產生10倍甚至15倍於原來構想的電量。

主要原料

細菌發電的主要原料包括葡萄糖以及果糖、蔗糖，甚至從木頭和稻草中提取出來的含糖副產品的木糖等，都可以充當細菌發電的原料。細菌發電所用的糖完全可以用諸如鋸末、桔稈、落葉等廢有機物的水解物來替代， 也可以利用分解化學工業廢物如無用聚合物來發電。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）。

細菌發電工藝會產生二氧化碳（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。科學家們表示，這種技術可用來生產手機電池。

糖原料

世界上第一種能夠發電的“細菌電池”，的原料是地下的細菌，細菌在吞噬糖的過程中，能夠把能量轉化為電。原型電力裝置加滿原料後，可以正常運轉長達25天，而且成本低，性能穩定。細菌電池是一種獨特的有機體，具有潛在的套用價值。正處於研究階段的細菌叫Rhodoferaxferriducens，在維吉尼亞奧伊斯特貝地底深處不通風的沉澱物中被發現的，它是使糖氧化的最理想的“候選者”。

在一個有兩個封閉空間的容器中，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）的電源。

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使它可以當做普通電池用。

重金屬

利用重金屬做為原料，是指利用一種能去除地下鈾污染物的細菌來發電。

科學家們破解了這種能吞噬金屬的地下細菌的基因圖譜，稱它有100多個基因能夠使金屬發生化學變化，使之產生電能。這種地下細菌的基因組中有100個或更多的基因，能編碼不同的C型細胞色素，還具有能來回移動電子的蛋白質。

此外，這種先前被認為只能在無氧環境裡存在的細菌，可能具有在有氧條件下發揮某種功能的基因。它們能在深層地下水中產生電能，這比先前預計的清潔環境的用處更大。

有機污水

利用生活污水發電設備也可以發電，它是利用在淡水池塘中常見的一種細菌來連續發電的。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。節省能源，有利環保。科學家說，利用這種污水發電機，將會有那么一天，能使從馬桶衝下去的穢物成為家中照明用電的來源。
生活污水發電的設備有兩個特點：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。

這種發電機是一個15厘米長的密封罐，有機污水被引入罐內後被細菌酶分解，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，並在那裡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。
該設備的發電量只達到其發電潛力的1/10。即便如此，該系統也能利用10萬人次的排泄物發出51千瓦的電。

海藻纖維

海藻纖維素電池：用於產品或機場行李追蹤

海藻的纖維素可以製造出像紙一樣纖薄、輕巧、柔韌的電池，可用來追蹤產品從產地到貨架的行蹤，或用來追蹤通過機場安檢的行李的行蹤。相關研究發表在最新一期的《納米快報》上。

電池依靠電化學反應工作，每一個電池包含兩個電極（陰極和陽極），這兩個電極浸沒在電解液中。廣泛套用於手機和手提電腦中的鋰電池的陽極由碳組成，陰極由氧化鋰鈷組成，其溶在含有鋰鹽的有機電解液中。當電池被通上電時，電子朝陰極進發，迫使帶正電的鋰離子遠離陰極，進入陽極，當電池放電時，電流讓鋰離子離開陽極返回到陰極。

海藻電池由海藻中提取的纖維素製成（紙張是由樹木或者棉花中提取的纖維素製成）。海藻纖維素的纖維更加纖細，會使電池的表面積更大，使其能夠存儲更多電荷。

啤酒廢料

啤酒廢料可用來發電

在中國和泰國曾經有過把稻穀和甘蔗的廢料製造成能源的案例。同樣的程式或許可以用於開發釀酒的廢料，而且製造的能源還能用於釀酒。

釀造啤酒消耗的能源很多，先要用熱水和蒸氣煮原料，然後用電使其冷卻。濕穀物和廢水倒入酵桶中，發酵桶裝了可以分解有機化合物的細菌，這樣就可以製造沼氣，然後把發酵桶中產生的沼氣和乾煤泥用於燒水和生產高壓力的蒸氣，而這又能推動渦輪發電。 銅鼓從穀物廢料中回收整個釀酒這一過程，一個現代的節能釀酒廠能回收總能源消耗量的50%－60%，能大大節省成本。

岩石菌種

還有一種寄生在岩石上名的為希瓦氏菌的細菌，這種細菌可以將礦物質轉化為微小的電流。這是本世紀的一項重大發現，這個發現可以幫助科學家發明出一種全新的用有機物為材料的清潔燃料電池。

因為這種細菌適應環境的能力很強，於自然界中可以說是無處不在，並且它們還可以缺氧的環境下生活（這也讓科學們被困擾了半個世紀）。不過，即便科學家們發現了這一微生物可以產生電流，也無法搞清電流是如何產生的。

這種細菌是通過蛋白質之間的化學變化而產生電子形成電流的；而美國科學家認為，這種細菌在岩石上吸收鐵、錳等金屬元素時，在細菌內電子產生了移動，而形成電流。細菌發電有希望能成為石油、煤礦、天然氣等稀缺能源的替代品。

主要用途

建發電站

利用這種細菌發電原理，還可以建立細菌發電站，計算表明一個功率為1000千瓦的細菌發電站，僅需要1000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。而這種電站是一種不污染環境的"綠色"電站，其運轉產生的廢物基本上是二氧化碳和水。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等，細菌發電的前景十分廣闊。

把生活廢水中的細菌降解，再結合淡水和海水之間的鹽度梯度來發電，優勢更加明顯。另外，廢水中蘊含有大量以有機物形式存在的能量，而這些能量是處理這些廢水所需能量的10倍之多。

製造電池

各個已開發國家在細菌電池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。英國則發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。

此外科學家還有研究出兩種新型的發電技術，這兩個技術分別為微生物燃料電池（MFC），即利用生活廢水中自然存在的細菌發電，以及逆向電滲析（RED），也就是利用淡水和鹽水之間的鹽度梯度來發電，可以生產出微生物逆向電滲析電池（MRC）。這一技術由兩個不同的技術結合而成。該小組揚長避短，規避了這兩個技術的局限性，開發出效率更高、成本更低，且十分方便的電池技術。科研小組負責人、能源與環境研究專家布魯斯羅根表示，這兩個技術每個都存在優點和弊端，把它們結合在一起，取其優點，結合之後，效果更佳。

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。微生物燃料電池的效率很低，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。

製造氫氣

細菌除了可發電之外，還可以製造氫氣。正在對此進行研究的離子能公司的總裁說：“我們已經證明了細菌製造氫氣的可能性，接下來需要在一個廣的套用範圍內證明它的可行性。”

利用基因改造的方法來使細菌利用陽光或排泄物產生氫氣或其他能源。如果能夠找出產生能源的基因的排序方法，細菌能源的產生過程就可以在控制之中了。勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員表示，這種合成的微生物的機體可以被重新構架，可以讓它們產生各種需要的能源。這項研究進行得很快，結果在15年內就可以出來了。

其他套用

細菌發電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。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。通過這項技術，動物糞便或污水等含有碳水化合物的廢物，都能為電冰櫃和爐子提供電力，可以為生活在偏遠地區的人帶來幫助。

越來越多的實驗傾向於利用生物能來解決諸如能源等問題。綠色燃料技術公司已經開始用一種海藻把煙囪排放的有害氣體中的氮和二氧化碳轉化成有機燃料。可以預見的是，生物能在不遠的將來擁有無限的可能。

歷史沿革

細菌發電的歷史可以追溯到1910年。當年，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。

1984年，美國科學家設計出一種太空飛船使用的細菌電池，其電極的活性物質是太空人的尿液和活細菌。不過，那時的細菌電池放電效率較低。

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。

據計算，利用這種細菌電池每100克糖可獲得135.293×104庫侖的電，其效率可達40%。這已遠高於使用的太陽電池的效率，何況其還有再提高10%的潛力可挖。只要不斷給這種細菌電池裡添入糖，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。

發展前景

2012年1月，美國宇航局向海軍研究實驗室太空飛行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。

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”。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構想，而是不久的現實。

科學家們為細菌發電這種新型的供電方式構思了廣闊的前景。構想製造一種機器能夠尋找並吃掉有機物來產生電流。基因測序的先驅者克雷格-溫特認為，微生物供電的方法甚至可以減低對產油國的依賴。美國國家科學基金會的帕特立克-布爾勞尼克表示，細菌發電這種模式雖然還處於初級研究階段，但它具有廣闊的前景。為了證明這種供電方式的潛能，科學家們還設計了用細菌細胞為掛件玩具和其他裝置供電。這一實驗具有重要的現實意義。