海博微信公眾號
海博天貓旗艦店
海博微信公眾號
海博天貓旗艦店
提到發(fā)電方式，多數人可能會(huì )想到火力、水力、風(fēng)力、太陽(yáng)能、核能等途徑。然而，微生物發(fā)電這一較為冷門(mén)的領(lǐng)域卻擁有近百年的研究歷史。你可能會(huì )好奇，哪些微生物具有發(fā)電的能力？這些微生物又是如何實(shí)現電能生成的？
微生物的發(fā)電機制
在探討這個(gè)話(huà)題之前，我們首先要了解發(fā)電的本質(zhì)——能量轉換。
舉個(gè)例子，火力發(fā)電是通過(guò)燃燒煤炭，將其化學(xué)能量轉化為電能。在生物體內，三磷酸腺苷（ATP）則被認為是一種“通用能量貨幣”。一個(gè)葡萄糖分子在生物體內完全氧化后可以產(chǎn)生多達32個(gè)ATP分子。ATP被分解，不僅會(huì )釋放能量供生物體使用，還會(huì )伴隨電子轉移。
這里就引出了微生物發(fā)電的核心機制：胞外電子轉移（Extracellular Electron Transfer，簡(jiǎn)稱(chēng)EET）。在某些特定微生物（如希瓦氏菌（Shewanella）和地桿菌（Geobacter）等）中，ATP的能量釋放不僅局限于細胞內。
通過(guò)細胞膜上特定的導電蛋白，這些微生物能夠將電子傳遞到細胞外，從而形成電流。這一過(guò)程不僅實(shí)現了能量的高效利用，還為微生物發(fā)電提供了一種自然而獨特的途徑。
微生物發(fā)電早已不是最新發(fā)現
早在1911年，英國生物學(xué)家Michael Potter便已經(jīng)發(fā)現，在含有釀酒酵母或特定細菌的培養液中使用鉑作為電極，有機物的分解過(guò)程可以生成電流�；谶@一原理，科學(xué)家們一直在探究如何將微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells，MFC）應用于人類(lèi)社會(huì )。
MFC的工作原理是相當直接的：在陽(yáng)極，燃料（如營(yíng)養物質(zhì)）通過(guò)微生物代謝被氧化，釋放出的電子和質(zhì)子則分別通過(guò)不同途徑到達陰極。電子通過(guò)電子傳遞介質(zhì)在陰極和陽(yáng)極之間進(jìn)行傳遞，并通過(guò)外部電路形成電流。與此同時(shí)，質(zhì)子則通過(guò)質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane）到達陰極，在那里與氧氣結合生成水。
雖然MFC在能量轉換效率上仍有待提高，但經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀的研究和發(fā)展，這種技術(shù)已逐漸走入公眾視野。有科學(xué)家甚至預測，未來(lái)MFC技術(shù)有潛力被用于制造如手機電池這樣的日常用品。
然而，需要注意的是，由于目前使用的質(zhì)子交換膜和貴金屬電極等原料成本相對較高，MFC大多還處于實(shí)驗室研究階段，距離大規模商業(yè)應用尚需時(shí)日。
天然發(fā)電細菌
在生物發(fā)電領(lǐng)域，希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）MR-1堪稱(chēng)一名“明星”細菌。該細菌最初在Oneida湖中被分離出來(lái)，并因其獨特的錳還原（Manganese Reducing，簡(jiǎn)稱(chēng)MR）能力而得名。
在進(jìn)行錳還原的過(guò)程中，希瓦氏菌通過(guò)細胞膜上的特殊導電蛋白生成電流，從而獲取所需的能量。值得注意的是，該細菌能夠在高濃度重金屬的厭氧環(huán)境中生存，研究還表明它具有將汞離子還原為汞單質(zhì)，以及將銀離子還原為銀單質(zhì)的能力。
那么，希瓦氏菌MR-1為何具有天然的導電特性呢？
科學(xué)家將具有自發(fā)進(jìn)化胞外電子轉移（Extracellular Electron Transfer，簡(jiǎn)稱(chēng)EET）途徑的微生物稱(chēng)作外產(chǎn)電菌。其中，最受研究者們關(guān)注的EET途徑便是希瓦氏菌MR-1的金屬還原（Metal-reducing，簡(jiǎn)稱(chēng)Mtr）途徑。
在這一途徑中，電子通過(guò)細胞膜和周質(zhì)空間內的特殊細胞色素進(jìn)行傳遞，這些細胞色素上堆疊著(zhù)密集的血紅素分子。
然而，盡管這些外產(chǎn)電菌在將底物轉化為電能的過(guò)程中展現出較高的效率，它們對底物（即食物）特別挑剔，適應性相對較差。
此外，由于缺乏有效的遺傳操作工具，進(jìn)行基因改造以提高其應用范圍和效率變得相對困難。這些因素在一定程度上限制了包括希瓦氏菌MR-1在內的外產(chǎn)電菌的廣泛應用。
基因改造大腸桿菌發(fā)電
面對天然產(chǎn)電菌在食物選擇上的挑剔性質(zhì)以及基因改造的困難，科學(xué)家們開(kāi)始探究：能否使用更易于改造的細菌來(lái)實(shí)現發(fā)電呢？答案引人注目地是肯定的。
大腸桿菌，作為生物研究中最常見(jiàn)的模型細菌，具備豐富的遺傳操作工具，且對食物源并無(wú)特別選擇性，因此成為了這一改造項目的理想候選者。
瑞士的Ardemis A. Boghossian教授利用希瓦氏菌MR-1的Mtr電子傳遞途徑為模板，在大腸桿菌中構建了類(lèi)似的機制。
具體而言，該團隊對大腸桿菌進(jìn)行改造，這些改造讓大腸桿菌不僅能產(chǎn)生電流，而且該電流能夠持續超過(guò)三天，有效證明了基因改造大腸桿菌具備發(fā)電能力。
值得一提的是，盡管其發(fā)電效率僅為希瓦氏菌MR-1的1/50，但大腸桿菌在食物選擇上的不挑剔卻賦予了它特定的優(yōu)勢。例如，這種改造過(guò)的大腸桿菌能在啤酒廠(chǎng)的廢水中生長(cháng)，而天然的希瓦氏菌MR-1則做不到這一點(diǎn)。這一發(fā)現意味著(zhù)改造后的大腸桿菌不僅具備發(fā)電能力，還可用于廢水處理，實(shí)現“一石二鳥(niǎo)”的效果。
細菌發(fā)電的用途有哪些？
細菌發(fā)電作為一個(gè)具有多方面應用潛力的技術(shù)，主要可用于微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells, MFC）的構建。MFC有幾個(gè)顯著(zhù)的應用領(lǐng)域，包括但不限于發(fā)電產(chǎn)能、污水處理、生物感應和生物回收。
發(fā)電產(chǎn)能：微生物燃料電池特別適用于電量需求較小和電池更換困難的場(chǎng)景，如無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。更值得注意的是，MFC有可能非常微型化，在某些應用中，其電極厚度僅為7μm，長(cháng)度為2cm，從而能替代傳統電池。這為提供一種持久且可再生的電源打開(kāi)了新的可能。
污水處理：現有的污水處理技術(shù)大多電能消耗巨大。細菌發(fā)電的商業(yè)化應用有望改變這一狀況。例如，生活污水也可用作細菌發(fā)電的能量源，通過(guò)細菌在厭氧條件下分解有機物來(lái)產(chǎn)生能量，并以此驅動(dòng)電生成。
生物感應：MFC產(chǎn)生的電流與污水中可溶性有機物含量成正比，因此，它可用作測定污水中有機物含量的工具。一種基于MFC的生化需氧量（BOD）感應器已被研發(fā)出來(lái)。它能準確測量BOD水平，并已實(shí)現商業(yè)化。
生物回收：在細菌發(fā)電過(guò)程中，產(chǎn)生的電子有助于還原廢水中的重金屬離子。這一特性使其成為一種有效的重金屬回收方法。比如，已有研究設計了能夠將廢水中的銅離子還原為金屬銅的發(fā)電裝置，從而實(shí)現銅的回收再利用。
結語(yǔ)
細菌發(fā)電不僅歷史悠久，而且應用廣泛。它可以解決發(fā)電產(chǎn)能和污水處理問(wèn)題，同時(shí)還具有生物感應和生物回收的潛力。
針對天然產(chǎn)電菌對環(huán)境條件較為挑剔的問(wèn)題，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始轉向使用更為靈活的大腸桿菌作為生物發(fā)電的替代方案，并已取得令人矚目的進(jìn)展。隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展，細菌發(fā)電有望越來(lái)越廣泛地應用于我們的日常生活中。
來(lái)源：蘭州市科協(xié)
提醒：本文章所有內容均來(lái)源網(wǎng)絡(luò )，僅用于學(xué)習交流，若有侵權內容，請及時(shí)聯(lián)系刪除或修改，特此聲明！
