增強希瓦氏菌

發(fā)電能力

希瓦氏菌是一種嗜好重金屬的細菌，這種特性使其可以被用于清潔被污染的水體中的鐵、鉛、汞元素，甚至用來發(fā)電。最近，來自美國加利福尼亞州大學圣巴拉拉分校的研究團隊在《化學》期刊上發(fā)表論文稱，經(jīng)由化學方式改造后，他們增強了希瓦氏菌的發(fā)電能力。這為污水處理廠開啟了另一扇“治水發(fā)電”的大門。

希瓦氏菌是1988年被分離出來的一種厭氧菌，其細胞中的帶電蛋白質(zhì)對它的“呼吸”至關(guān)重要，通過蛋白質(zhì)之間的化學變化可以產(chǎn)生電子，形成電流。這一發(fā)現(xiàn)幫助科學家研究出一種全新的以有機物為材料的清潔燃料電池。

為了更好地利用希瓦氏菌的這一發(fā)電特性，研究團隊開發(fā)出了一種名叫“DSFO+”的合成分子。研究人員在希瓦氏菌的兩種變異株系上進行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DSFO+不僅可以完全取代天然的導電蛋白質(zhì)，還能夠更有效地完成任務(wù)。即使希瓦氏菌菌株本身就具備發(fā)電能力，但它只能在無氧環(huán)境下存活下來。基于此，科研人員利用DSFO+讓希瓦氏菌菌株能在細菌里生存幾周的時間。

“我們用這種替換分子取代了細菌細胞膜上的蛋白質(zhì)，它可以促進向呼吸膜表面?zhèn)鬟f電子的過程。這種發(fā)電的方式讓我們有機會研究微生物上這種此前被認為不存在的行為?！毖芯咳藛T吉列爾莫·巴贊說。

通常，科學家可以對有機體的基因進行修改，但流程相當復雜，還需要通過各種手段防止微生物從實驗室“逃逸”到野外，因此很難將其用于現(xiàn)實世界。相比之下，通過化學方式改造的這種希瓦氏菌，其“影響”則相對有限。每經(jīng)過一次繁殖，DSFO+的含量就會被稀釋掉一部分，并最終恢復到“初始狀態(tài)”。

聰明的細菌

其實，細菌發(fā)電并不是一個新鮮事物，細菌發(fā)電原理的發(fā)現(xiàn)要追溯到100多年前。

1910年，英國植物學家馬克·皮特首先發(fā)現(xiàn)了有幾種細菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)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。

1984年，美國設(shè)計出一種供遨游太空使用的細菌電池，其電極的活性物質(zhì)是宇航員的尿液和活細菌，不過這種細菌電池放電率極低。直到20世紀80年代末，英國化學家彼得·彭托在細菌發(fā)電研究方面才取得了重大進展。他讓細菌在電池組里分解電子，電流能持續(xù)數(shù)月之久。此后，各種細菌電池相繼問世。

浙江大學能源工程學院教授成少安在美國賓夕法尼亞州州立大學工作時就參與了利用細菌電池原理用廢水發(fā)電的研究。研究團隊用污水處理站的污水進行實驗，成少安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，細菌發(fā)電的電量只有幾毫瓦，但看到渾濁的廢水慢慢變得清澈時，我們知道細菌正在工作?！贝撕螅缮侔惨恢敝铝τ诩毦l(fā)電技術(shù)的研究。

細菌產(chǎn)生的電流來自細菌體內(nèi)新陳代謝產(chǎn)生的電子。但細菌發(fā)電的效率非常低，電量很微弱。如何讓細菌體內(nèi)的電子盡可能多地跑到電極上去，這是該領(lǐng)域研究者面對的一個重要問題。

于是，電極材料的研發(fā)也吸引了很多科學家。比如，成少安就發(fā)明了碳纖維陽極。從微觀看，這些碳纖維的表面非常粗糙，形成了廣闊的表面積，可供許多細菌棲息。陰極也是一個巧妙的設(shè)計，既可以滴水不漏，又不阻攔空氣的自由流通，能為好氧細菌提供所需的氧氣。

“細菌比我們想象的聰明得多?！背缮侔舱f，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(nèi)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(xiàn)，當細菌進入反應(yīng)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陰極一側(cè)，厭氧的細菌則舒舒服服地附著在另一頭的碳材料陽極上工作?！斑@樣，我們的反應(yīng)結(jié)構(gòu)就可以簡化不少?！?/p>

廣闊的應(yīng)用前景

如今，經(jīng)過科學家的9d47bf4ec9950e5a17bfb29213d0821f不斷努力，細菌電池的發(fā)電效率正在不斷上升，這也使得越來越多的科學家看到了細菌燃料電池的前景。2005年前后，這一領(lǐng)域的研究熱度在全世界延伸開來。

近幾年，細菌發(fā)電領(lǐng)域的成果不斷被公布出來。2015年，美國賓漢姆頓大學的研究人員開發(fā)出可折疊的柔性紙電池，這款電池的主要原料是紙，電力來源正是細菌。這種可折疊的紙質(zhì)電池，依靠紙作為傳感器實現(xiàn)自發(fā)電。細菌則能通過新陳代謝產(chǎn)生足夠的能量，成為電力來源。任何含有細菌的原料，比如汗液或臟水，都可以用作發(fā)電材料。這種柔性紙電池雖然折起來只有火柴盒大小，但已足夠為一盞小LED燈提供所需電量。

2016年，荷蘭瓦根尼罕大學與瓦赫寧恩大學合作研究的細菌電池，首先以細菌用電力合成醋酸鹽，然后再利用細菌把醋酸鹽轉(zhuǎn)化成電力。細菌電池充電16小時后，可提供8小時電力。

隨后，英國牛津大學的一支科研團隊表示，他們成功模擬了一個生物能源發(fā)電站。研究人員使用計算機來控制細菌的運動，讓它們在液體中懸浮游動。之后，他們在這些細菌中間加入輪狀結(jié)構(gòu)，其周圍的細菌就會圍繞著這些輪狀物運動。這會產(chǎn)生一些微小的電量，為一些小型設(shè)備供電。

對于細菌發(fā)電的應(yīng)用前景，成少安表示，廢水處理是很重要的一個方向?！凹毦?jīng)過‘馴化’，就能持續(xù)地消耗廢水中的有機物，既清潔了廢水，又能發(fā)電，而且對環(huán)境‘零負擔’。”

目前被廣泛應(yīng)用的廢水處理技術(shù)本身就是以消耗電能為代價的，細菌發(fā)電的技術(shù)一旦成熟走向應(yīng)用，廢水本身就可以成為發(fā)電的資源。“垃圾是放錯地方的資源?！背缮侔舱f，“我們通過計算得出，一個10萬人小城市的生活產(chǎn)生的污水用來發(fā)電的話，可以供給1000戶人家的用電量。”

細菌發(fā)電技術(shù)還有其他一些應(yīng)用方向，比如在太空飛船上可以利用細菌把尿液等轉(zhuǎn)變成可飲用的水，海洋中的潛水艇也是一樣。這是一個可以用高效、低成本的方法解決能源問題的路徑之一。

成少安表示，未來要想讓細菌發(fā)電技術(shù)走出實驗室，還需要不同領(lǐng)域科學家的共同努力。比如，生物學背景的科學家可以從微生物角度去研究，通過基因改造，帶來產(chǎn)電活性更高的細菌類型；從工程材料的角度，科學家可以研究何種電極材料能夠產(chǎn)生更大的功率等。