林琪

人類(lèi)的能源越來(lái)越短缺，開(kāi)發(fā)新能源成為當(dāng)今最重要課題，各種設(shè)計(jì)發(fā)明不斷出現(xiàn)，科學(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)將是細(xì)菌發(fā)電造福人類(lèi)的時(shí)代。

在不久前發(fā)布的《2014世界最具影響力的科研精英》報(bào)告中，展示了最新的全球最具影響力的研究人員（亦稱(chēng)為“高被引科研人員”）名單，浙江大學(xué)能源工程學(xué)院教授成少安入選環(huán)境與生態(tài)學(xué)科的“高被引科學(xué)家”，入選原因則是他“馴化”了成千上萬(wàn)細(xì)菌，使它們能利用污水來(lái)發(fā)電。

細(xì)菌發(fā)電就是讓細(xì)菌在電池組里分解分子，以釋放出電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能。細(xì)菌中的電子含量總是很飽滿，它需要一個(gè)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(gè)圈，細(xì)菌就可以釋放電量，形成奇特的細(xì)菌發(fā)電。

利用污水發(fā)電的“細(xì)菌電池”

幾十個(gè)比火柴盒大一些的透明“盒子”在實(shí)驗(yàn)室里擺著，仔細(xì)一看，盒子上方的兩個(gè)小孔，一個(gè)孔注入污水，一個(gè)孔則排出被細(xì)菌“消化”后變得清澈的水……原來(lái)，這就是成少安的細(xì)菌電池“原型”。

據(jù)介紹，盒子的兩側(cè)是兩塊圓形的材料，一個(gè)是負(fù)極，一個(gè)是正極。細(xì)菌在正極表面生長(zhǎng)，靠消耗廢水中的有機(jī)物新陳代謝，產(chǎn)生的電子則傳遞到電極上，在上面加一個(gè)載荷，就形成了電流。

“我們從每平方米電極材料產(chǎn)生零點(diǎn)幾毫瓦，到幾十毫瓦電，再提高到幾千毫瓦，已經(jīng)提高到5個(gè)數(shù)量級(jí)?！背缮侔舱f(shuō)，細(xì)菌經(jīng)過(guò)“馴化”，就能持續(xù)地消耗廢水中的有機(jī)物。

細(xì)菌發(fā)電帶給成少安的，不僅僅是他回國(guó)后的成就，第一次給他帶來(lái)心靈上的感觸，是他還在國(guó)外進(jìn)行研究的時(shí)候。當(dāng)時(shí)美國(guó)賓州州立大學(xué)的教授布魯斯·洛根曾提出，如果細(xì)菌能讓污水發(fā)電實(shí)現(xiàn)，那么既處理了污水，又產(chǎn)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(lái)污水，開(kāi)始了雄心勃勃的實(shí)驗(yàn)。而當(dāng)時(shí)課題組成員之一的成少安則負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建和電極材料的研發(fā)。“在最初的可行性驗(yàn)證階段，電量只有幾毫瓦，但我看到渾濁的廢水慢慢變得清澈，說(shuō)明細(xì)菌在工作！”成少安說(shuō)，那是細(xì)菌第一次帶給他感動(dòng)與信心。

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

細(xì)菌電池的難點(diǎn)之一，是讓盡可能多的細(xì)菌附著在電極表面，而不是在污水中“散漫”地游泳。為了給細(xì)菌提供一個(gè)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(guān)方向。

“細(xì)菌比我們想象的聰明得多?！背缮侔舱f(shuō)。比如，一開(kāi)始課題組用一層薄膜把污水中的細(xì)菌分成厭氧、好氧兩個(gè)“房間”，但“墻壁”會(huì)令電池內(nèi)部的電阻增大，影響發(fā)電效率。拆掉“墻壁”會(huì)怎樣呢？課題組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)菌進(jìn)入反應(yīng)器一段時(shí)間之后，無(wú)需人為干預(yù)，就會(huì)自動(dòng)“站隊(duì)”，形成兩個(gè)區(qū)域，好氧的細(xì)菌緊貼在空氣負(fù)極一側(cè)，而厭氧的細(xì)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(yīng)結(jié)構(gòu)就可以簡(jiǎn)化不少！”如今，成少安設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置和材料，由于十分巧妙，被全世界很多實(shí)驗(yàn)室沿用。

各式各樣的細(xì)菌發(fā)電

事實(shí)上，細(xì)菌發(fā)電由來(lái)已久，在過(guò)去的十幾年間，不少研究組嘗試了各種方式、不同類(lèi)型的細(xì)菌發(fā)電，事實(shí)證明，細(xì)菌發(fā)電的技術(shù)在這十幾年來(lái)的發(fā)展中愈發(fā)成熟。

時(shí)間可以追溯到1910年，英國(guó)植物學(xué)家馬克·皮特首先發(fā)現(xiàn)有幾種細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流。于是他以鉑作電極，放進(jìn)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(gè)細(xì)菌電池。

隨后，科學(xué)界對(duì)細(xì)菌發(fā)電的關(guān)注逐漸升溫。1984年美國(guó)科學(xué)家曾在太空飛船試驗(yàn)細(xì)菌電池，其電極間的活性物質(zhì)為宇航員的尿液和活細(xì)菌，不過(guò)那時(shí)的細(xì)菌電池放電量很低。到了20世紀(jì)八十年代未，細(xì)菌發(fā)電才有重大的突破。英國(guó)化學(xué)家彼得·彭托在細(xì)菌發(fā)電研究方面取得了重大進(jìn)展。他讓細(xì)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(xì)菌電池相繼問(wèn)世。美國(guó)環(huán)境微生物學(xué)家德里克·拉烏雷發(fā)現(xiàn)了一種嗜糖細(xì)菌。當(dāng)這種細(xì)菌吃糖時(shí)，它把葡萄糖液轉(zhuǎn)化為二氧化碳，同時(shí)產(chǎn)生電子。在這種細(xì)菌新陳代謝的過(guò)程中，能轉(zhuǎn)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(lái)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(qiáng)，拉烏雷博士說(shuō)：“從短期看，這種技術(shù)可以用來(lái)生產(chǎn)手機(jī)電池。”想像一下，哪天你的手機(jī)電池沒(méi)電了，而你只需順手從身邊舀上一小勺糖，填進(jìn)手機(jī)里，你就又可以自由通話了。

而美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的科研人員發(fā)明出的污水發(fā)電機(jī)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(jī)物質(zhì)，節(jié)省能源且環(huán)保。那是一個(gè)15厘米長(zhǎng)的密封罐，當(dāng)有機(jī)污水被引入罐內(nèi)后被細(xì)菌酶分解，在此過(guò)程中釋放出電子和質(zhì)子。在電子流向正極的同時(shí)，質(zhì)子通過(guò)罐內(nèi)的質(zhì)子交換膜流向負(fù)極，并在那里與空氣中的氧及電子結(jié)合成水。在完成上述分解污水過(guò)程的同時(shí)，罐內(nèi)電極之間的電子交換產(chǎn)生了電壓，使該設(shè)備能夠給外部電路供電。而據(jù)研究員介紹，該設(shè)備在當(dāng)時(shí)的發(fā)電量只達(dá)到其發(fā)電潛力的1/10。

就在去年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的工程師設(shè)計(jì)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(chǎn)電菌”設(shè)計(jì)的一種微生物電池，能夠在消化分解污水中動(dòng)植物廢物時(shí)，充當(dāng)小型的高效發(fā)電廠。

據(jù)介紹，目前，他們的實(shí)驗(yàn)室原型有一節(jié)D型電池般的大小，看起來(lái)像一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，有正負(fù)兩個(gè)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(jī)廢物顆粒的細(xì)菌附著在負(fù)極上產(chǎn)生電力，所發(fā)出的電子被電池正極捕獲。人們通過(guò)電子顯微鏡可以看見(jiàn)，在電池的負(fù)極，“產(chǎn)電菌”將其乳白色卷須粘住碳絲，作為有效電導(dǎo)體。這些微生物攝取有機(jī)物質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)換成生物燃料，并將其多余的電子排放入碳細(xì)絲，碳細(xì)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(chǔ)多余電子的過(guò)程中，一天左右可滿荷電子，而流入正極節(jié)點(diǎn)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(xì)菌發(fā)電前景誘人

這么多種類(lèi)型的細(xì)菌電池在不斷地刷新它的放電量，那它究竟能帶來(lái)多大的經(jīng)濟(jì)效益呢？科研人員舉例說(shuō)，2008年，美國(guó)的一家污水處理廠加裝微生物能源系統(tǒng)，項(xiàng)目總投資約800萬(wàn)美元，效果是每年污泥處理量減少約25%-30%，處理費(fèi)用節(jié)省了約40萬(wàn)美元；每年產(chǎn)電300萬(wàn)度，節(jié)省了約40萬(wàn)美元。按照美國(guó)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策，包括因減少甲烷氣體排放量而節(jié)省的處罰費(fèi)用等在內(nèi)，4年左右可收回總投資。

除了經(jīng)濟(jì)效益，從能源方面看好處也不少。如斯坦福大學(xué)研究的這種細(xì)菌電池，可以提取約30%在廢水中的潛在能源，與市面銷(xiāo)售最好的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換率大致相同。當(dāng)然，廢水能量潛力不太大。但發(fā)明者表示，即便如此，細(xì)菌電池也值得研究，因?yàn)樗赡軙?huì)補(bǔ)償一些用于處理廢水的電力。他們希望它會(huì)用于污水處理廠，或分解湖泊和沿海水域“死區(qū)”里的有機(jī)污染物，減少化肥和其他有機(jī)廢物對(duì)水里氧氣的消耗降低窒息海洋生物的危險(xiǎn)。如今他們最大的挑戰(zhàn)將是找到一種廉價(jià)而高效的正極材料，他們表示由于運(yùn)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(shí)間。

美國(guó)的污水處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了100多年了，但是通過(guò)細(xì)菌分揀的方法進(jìn)行凈化和發(fā)電也才剛剛起步，而中國(guó)也在逐步發(fā)展起來(lái)。

“中國(guó)現(xiàn)階段保守估計(jì)廢水總排放量在400億噸每年，污水中蘊(yùn)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(lái)，這將是一筆巨大的環(huán)保財(cái)富。”一國(guó)內(nèi)科研人員表示說(shuō)。廢水量如此之多，用實(shí)驗(yàn)室里這樣迷你的裝置肯定不行，還要做擴(kuò)大化研究，這樣才能在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用，要讓這項(xiàng)技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，尚需時(shí)日。

細(xì)菌發(fā)電的前景十分誘人。現(xiàn)在美國(guó)、英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家各顯神通。美國(guó)在去年研究出效率高達(dá)83%的細(xì)菌電池，還研究出利用太陽(yáng)能的細(xì)菌電池；日本將兩種細(xì)菌放入電池的特制糖漿中，讓一種細(xì)菌吞食糖漿產(chǎn)生醋酸和有機(jī)酸，而讓另一種細(xì)菌將這些酸類(lèi)轉(zhuǎn)化成氫氣，由氫氣進(jìn)入磷酸燃料電池發(fā)電；英國(guó)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(xì)菌電池。

作為一種綠色無(wú)污染的新型能源，細(xì)菌發(fā)電經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，逐步受到世界各國(guó)的重視。人類(lèi)的能源越來(lái)越短缺，開(kāi)發(fā)新的能源是當(dāng)今急需的課題，科學(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)可能將是細(xì)菌發(fā)電造福人類(lèi)的時(shí)代。