被“馴化”的細(xì)菌能發(fā)電

時(shí)間:2017-04-07 17:47 作者:bspower 分享到:

提起發(fā)電,人們往往會聯(lián)想到火電、水電、風(fēng)電、核電、太陽能發(fā)電等方式。其實(shí),小小的細(xì)菌也能發(fā)電。這也是如今被全世界不少科學(xué)家研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。

增強(qiáng)希瓦氏菌發(fā)電能力

希瓦氏菌是一種嗜好重金屬的細(xì)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(xué)圣巴拉拉分校的研究團(tuán)隊(duì)在《化學(xué)》期刊上發(fā)表論文稱,經(jīng)由化學(xué)方式改造后,他們增強(qiáng)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(xì)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(xué)變化可以產(chǎn)生電子,形成電流。這一發(fā)現(xiàn)幫助科學(xué)家研究出一種全新的以有機(jī)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行了測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn)DSFO+不僅可以完全取代天然的導(dǎo)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?;诖?,科研人員利用DSFO+讓希瓦氏菌菌株能在細(xì)菌里生存幾周的時(shí)間。

“我們用這種替換分子取代了細(xì)菌細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì),它可以促進(jìn)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(jī)會研究微生物上這種此前被認(rèn)為不存在的行為。”研究人員吉列爾莫·巴贊說。

通常,科學(xué)家可以對有機(jī)體的基因進(jìn)行修改,但流程相當(dāng)復(fù)雜,還需要通過各種手段防止微生物從實(shí)驗(yàn)室“逃逸”到野外,因此很難將其用于現(xiàn)實(shí)世界。相比之下,通過化學(xué)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(fù)到“初始狀態(tài)”。

聰明的細(xì)菌

其實(shí),細(xì)菌發(fā)電并不是一個(gè)新鮮事物,細(xì)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(xué)家馬克·皮特首先發(fā)現(xiàn)了有幾種細(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。

1984年,美國設(shè)計(jì)出一種供遨游太空使用的細(xì)菌電池,其電極的活性物質(zhì)是宇航員的尿液和活細(xì)菌,不過這種細(xì)菌電池放電率極低。直到20世紀(jì)80年代末,英國化學(xué)家彼得·彭托在細(xì)菌發(fā)電研究方面才取得了重大進(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)菌電池相繼問世。

浙江大學(xué)能源工程學(xué)院教授成少安在美國賓夕法尼亞州州立大學(xué)工作時(shí)就參與了利用細(xì)菌電池原理用廢水發(fā)電的研究。研究團(tuán)隊(duì)用污水處理站的污水進(jìn)行實(shí)驗(yàn),成少安負(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,細(xì)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(shí),我們知道細(xì)菌正在工作。”此后,成少安一直致力于細(xì)菌發(fā)電技術(shù)的研究。

細(xì)菌產(chǎn)生的電流來自細(xì)菌體內(nèi)新陳代謝產(chǎn)生的電子。但細(xì)菌發(fā)電的效率非常低,電量很微弱。如何讓細(xì)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(gè)重要問題。

于是,電極材料的研發(fā)也吸引了很多科學(xué)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(xì)菌棲息。陰極也是一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì),既可以滴水不漏,又不阻攔空氣的自由流通,能為好氧細(xì)菌提供所需的氧氣。

“細(xì)菌比我們想象的聰明得多。”成少安說,一開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(dāng)細(xì)菌進(jìn)入反應(yīng)器一段時(shí)間之后,無需人為干預(yù),就會自動(dòng)“站隊(duì)”,形成兩個(gè)區(qū)域,好氧的細(xì)菌緊貼在空氣陰極一側(cè),厭氧的細(xì)菌則舒舒服服地附著在另一頭的碳材料陽極上工作。“這樣,我們的反應(yīng)結(jié)構(gòu)就可以簡化不少。”

廣闊的應(yīng)用前景

如今,經(jīng)過科學(xué)家的不斷努力,細(xì)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(xué)家看到了細(xì)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(xì)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(xué)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(xì)菌。這種可折疊的紙質(zhì)電池,依靠紙作為傳感器實(shí)現(xiàn)自發(fā)電。細(xì)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(xì)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?yàn)橐槐K小LED燈提供所需電量。

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

隨后,英國牛津大學(xué)的一支科研團(tuán)隊(duì)表示,他們成功模擬了一個(gè)生物能源發(fā)電站。研究人員使用計(jì)算機(jī)來控制細(xì)菌的運(yùn)動(dòng),讓它們在液體中懸浮游動(dòng)。之后,他們在這些細(xì)菌中間加入輪狀結(jié)構(gòu),其周圍的細(xì)菌就會圍繞著這些輪狀物運(yùn)動(dòng)。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(xì)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(gè)方向。“細(xì)菌經(jīng)過‘馴化’,就能持續(xù)地消耗廢水中的有機(jī)物,既清潔了廢水,又能發(fā)電,而且對環(huán)境‘零負(fù)擔(dān)’。”

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(jià)的,細(xì)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(cuò)地方的資源。”成少安說,“我們通過計(jì)算得出,一個(gè)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(xì)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(xì)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(gè)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(xì)菌發(fā)電技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室,還需要不同領(lǐng)域科學(xué)家的共同努力。比如,生物學(xué)背景的科學(xué)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(xì)菌類型;從工程材料的角度,科學(xué)家可以研究何種電極材料能夠產(chǎn)生更大的功率等。

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