细菌加污水等于清水加电流?

人类的能源越来越短缺，开发新能源成为当今最重要课题，各种设计发明不断出现，科学家预言，21世纪将是细菌发电造福人类的时代。

在不久前的《2014世界最具影响力的科研精英》报告中，展示了最新的全球最具影响力的研究人员（亦称为“高被引科研人员”）名单，浙江大学能源工程学院教授成少安入选环境与生态学科的“高被引科学家”，入选原因则是他“驯化”了成千上万细菌，使它们能利用污水来发电。

细菌发电就是让细菌在电池组里分解分子，以释放出电子向阳极运动产生电能。细菌中的电子含量总是很饱满，它需要一个可以释放电子的途径。如果把电极放在某种含铁的沉积物中，并把它连成一个圈，细菌就可以释放电量，形成奇特的细菌发电。

利用污水发电的“细菌电池”

几十个比火柴盒大一些的透明“盒子”在实验室里摆着，仔细一看，盒子上方的两个小孔，一个孔注入污水，一个孔则排出被细菌“消化”后变得清澈的水……原来，这就是成少安的细菌电池“原型”。

据介绍，盒子的两侧是两块圆形的材料，一个是负极，一个是正极。细菌在正极表面生长，靠消耗废水中的有机物新陈代谢，产生的电子则传递到电极上，在上面加一个载荷，就形成了电流。

“我们从每平方米电极材料产生零点几毫瓦，到几十毫瓦电，再提高到几千毫瓦，已经提高到5个数量级。”成少安说，细菌经过“驯化”，就能持续地消耗废水中的有机物。

细菌发电带给成少安的，不仅仅是他回国后的成就，第一次给他带来心灵上的感触，是他还在国外进行研究的时候。当时美国宾州州立大学的教授布鲁斯・洛根曾提出，如果细菌能让污水发电实现，那么既处理了污水，又产出了电能，一举两得。于是，布鲁斯・洛根的课题组从污水厂取来污水，开始了雄心勃勃的实验。而当时课题组成员之一的成少安则负责实验装置的搭建和电极材料的研发。“在最初的可行性验证阶段，电量只有几毫瓦，但我看到浑浊的废水慢慢变得清澈，说明细菌在工作！”成少安说，那是细菌第一次带给他感动与信心。

2009年，成少安回到母校浙江大学继续他的研究。他的课题组一方面对细菌燃料电池的发电机理做进一步研究，另一方面也在进行大体量单体细菌电池的研发。

细菌电池的难点之一，是让尽可能多的细菌附着在电极表面，而不是在污水中“散漫”地游泳。为了给细菌提供一个环境，让他们能高效工作。成少安将电极材料的研发作为攻关方向。

“细菌比我们想象的聪明得多。”成少安说。比如，一开始课题组用一层薄膜把污水中的细菌分成厌氧、好氧两个“房间”，但“墙壁”会令电池内部的电阻增大，影响发电效率。拆掉“墙壁”会怎样呢？课题组发现，当细菌进入反应器一段时间之后，无需人为干预，就会自动“站队”，形成两个区域，好氧的细菌紧贴在空气负极一侧，而厌氧的细菌则“舒舒服服”地附着在另一头的碳材料正极上工作。“这样，我们的反应结构就可以简化不少！”如今，成少安设计的实验装置和材料，由于十分巧妙，被全世界很多实验室沿用。

各式各样的细菌发电

事实上，细菌发电由来已久，在过去的十几年间，不少研究组尝试了各种方式、不同类型的细菌发电，事实证明，细菌发电的技术在这十几年来的发展中愈发成熟。

时间可以追溯到1910年，英国植物学家马克・皮特首先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。于是他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液里，成功地制造出世界上第一个细菌电池。

随后，科学界对细菌发电的关注逐渐升温。1984年美国科学家曾在太空飞船试验细菌电池，其电极间的活性物质为宇航员的尿液和活细菌，不过那时的细菌电池放电量很低。到了20世纪八十年代未，细菌发电才有重大的突破。英国化学家彼得・彭托在细菌发电研究方面取得了重大进展。他让细菌在电池组里分解电子，电流能持续数月之久。

此后，各种细菌电池相继问世。美国环境微生物学家德里克・拉乌雷发现了一种嗜糖细菌。当这种细菌吃糖时，它把葡萄糖液转化为二氧化碳，同时产生电子。在这种细菌新陈代谢的过程中，能转换糖里80%以上的有效电子。这种微生物不仅靠蔗糖、果糖和葡萄糖等单糖来完成工作，也可以依靠木头和稻草里的木糖。由于稳定性强，拉乌雷博士说：“从短期看，这种技术可以用来生产手机电池。”想像一下，哪天你的手机电池没电了，而你只需顺手从身边舀上一小勺糖，填进手机里，你就又可以自由通话了。

而美国宾夕法尼亚大学的科研人员发明出的污水发电机则更加环保了，它不仅能发电，还可以分解污水中有害的有机物质，节省能源且环保。那是一个15厘米长的密封罐，当有机污水被引入罐内后被细菌酶分解，在此过程中释放出电子和质子。在电子流向正极的同时，质子通过罐内的质子交换膜流向负极，并在那里与空气中的氧及电子结合成水。在完成上述分解污水过程的同时，罐内电极之间的电子交换产生了电压，使该设备能够给外部电路供电。而据研究员介绍，该设备在当时的发电量只达到其发电潜力的1/10。

就在去年，美国斯坦福大学的工程师设计出一种从污水中“提取”潜在电能的新型方式，用自然界存在的“产电菌”设计的一种微生物电池，能够在消化分解污水中动植物废物时，充当小型的高效发电厂。

据介绍，目前，他们的实验室原型有一节D型电池般的大小，看起来像一个化学实验，有正负两个电极，插入到一瓶废水中。小瓶里，像藤壶附着在船体上，食用有机废物颗粒的细菌附着在负极上产生电力，所发出的电子被电池正极捕获。人们通过电子显微镜可以看见，在电池的负极，“产电菌”将其乳白色卷须粘住碳丝，作为有效电导体。这些微生物摄取有机物质，并将其转换成生物燃料，并将其多余的电子排放入碳细丝，碳细丝连至正极，正极由吸引电子的材料氧化银制成。

在正电极存储多余电子的过程中，一天左右可满荷电子，而流入正极节点的电子逐渐使氧化银减少形成银，最大程度上将其还原为银，然后将银从电池中取出，又可重新形成氧化银循环使用。

细菌发电前景诱人

这么多种类型的细菌电池在不断地刷新它的放电量，那它究竟能带来多大的经济效益呢？科研人员举例说，2008年，美国的一家污水处理厂加装微生物能源系统，项目总投资约800万美元，效果是每年污泥处理量减少约25%-30%，处理费用节省了约40万美元；每年产电300万度，节省了约40万美元。按照美国相关的产业政策，包括因减少甲烷气体排放量而节省的处罚费用等在内，4年左右可收回总投资。

除了经济效益，从能源方面看好处也不少。如斯坦福大学研究的这种细菌电池，可以提取约30%在废水中的潜在能源，与市面销售最好的太阳能电池的光电转换率大致相同。当然，废水能量潜力不太大。但发明者表示，即便如此，细菌电池也值得研究，因为它可能会补偿一些用于处理废水的电力。他们希望它会用于污水处理厂，或分解湖泊和沿海水域“死区”里的有机污染物，减少化肥和其他有机废物对水里氧气的消耗降低窒息海洋生物的危险。如今他们最大的挑战将是找到一种廉价而高效的正极材料，他们表示由于运用了氧化银的作用原理，但大规模使用银太贵，而找到合适的新材料还需要一段时间。

美国的污水处理技术已经发展了100多年了，但是通过细菌分拣的方法进行净化和发电也才刚刚起步，而中国也在逐步发展起来。

“中国现阶段保守估计废水总排放量在400亿吨每年，污水中蕴含着巨大的能量，而能量回收率却微乎其微。将污水中的能源利用起来，这将是一笔巨大的环保财富。”一国内科研人员表示说。废水量如此之多，用实验室里这样迷你的装置肯定不行，还要做扩大化研究，这样才能在现实中应用，要让这项技术走出实验室，尚需时日。

细菌发电的前景十分诱人。现在美国、英国、日本等发达国家各显神通。美国在去年研究出效率高达83%的细菌电池，还研究出利用太阳能的细菌电池；日本将两种细菌放入电池的特制糖浆中，让一种细菌吞食糖浆产生醋酸和有机酸，而让另一种细菌将这些酸类转化成氢气，由氢气进入磷酸燃料电池发电；英国则发明出一种以甲醇为电池液，以醇脱氢酶铂金为电极的细菌电池。

作为一种绿色无污染的新型能源，细菌发电经过一个世纪的发展，逐步受到世界各国的重视。人类的能源越来越短缺，开发新的能源是当今急需的课题，科学家预言，21世纪可能将是细菌发电造福人类的时代。