文|35斗
2015年12月，中新社西寧發(fā)表了《中國最后3.98萬無電人口通電》一文，這篇文章的發(fā)布意味著我國徹底解決了無電人口的用電問題。
然而，由國際能源署（IEA）、國際機(jī)構(gòu)（IRENA）、聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)司（UNSD）、世界銀行和世界衛(wèi)生組織（WHO）共同編制的全球能源進(jìn)展系列報(bào)告中指出——到2030年，全球用電人口預(yù)計(jì)為92%，仍有6.5億人無法獲得電力供應(yīng)。作為現(xiàn)代社會(huì)的基本特征，我們每天都習(xí)以為常使用著的電力，對(duì)于部分國家和人民來說卻是可望不可即的“奢侈品”。如何發(fā)電？電力能源能否再有新材料供給？這些都是擺在人們面前的種種難題。
從傳統(tǒng)化石能源到生物燃料，再到如今大力提倡的新能源發(fā)電，發(fā)電所用的原料也處于不斷地革新與演變的過程中。如今，科學(xué)家們將目光轉(zhuǎn)向了地球上豐富的植物和微生物資源，如果它們能夠大量地產(chǎn)生電力，到2050年前后，全球基本可以向之前不通電的生活說“拜拜”。
微生物發(fā)電，早已“不新鮮”
微生物發(fā)電的歷史可以追溯到1910年，英國植物學(xué)家馬克·皮特發(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，第一個(gè)細(xì)菌電池就這樣在他手中“出生”了。
1984年，一種能在外太空使用的微生物電池在美國誕生，其燃料為活細(xì)菌以及宇航員的尿液；1991年，微生物燃料電池被應(yīng)用于處理生活污水；2012年，美國宇航局計(jì)劃用細(xì)菌為行星探索機(jī)器人供能；2016年，Silvan Scheller等人發(fā)現(xiàn)依靠厭氧甲烷氧化菌能有望氧化甲烷，并轉(zhuǎn)化為電能。隨后，Thomas K.Wood等人在前人的基礎(chǔ)上，合成了能在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人造甲烷氧化細(xì)菌，實(shí)現(xiàn)了利用甲烷發(fā)電……百余年來，眾多學(xué)者奔赴在微生物發(fā)電這一賽場(chǎng)上，為解決人們無電用、用電難的問題貢獻(xiàn)力量，也為人們帶來了一項(xiàng)項(xiàng)震撼的發(fā)明，MFC就是其取得的成果之一。
MFC（microbial fuel cell，微生物燃料電池的簡(jiǎn)稱）是將產(chǎn)電微生物生命代謝過程中產(chǎn)生的電子收集起來并利用的裝置，其發(fā)電的基本原理也并不復(fù)雜。在MFC中，聚集在陽極的微生物在一定條件下能夠降解有機(jī)物，并產(chǎn)生氫質(zhì)子和電子，氫質(zhì)子和電子“跑”到陰極后，與表面的電子受體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，隨后，其就完成了MFC產(chǎn)電及電子利用的“使命”。這其間，MFC產(chǎn)生的電子在陰極發(fā)生的一系列反應(yīng)，能夠“附送”降解水體中的硫酸鹽、硝酸鹽等物質(zhì)，這一“附加產(chǎn)物”使人們看到了其在污水處理上表現(xiàn)出的潛力，也使其成為了新型生物污廢水處理技術(shù)的一種。
歷經(jīng)了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，微生物發(fā)電以及MFC開始逐漸受到世界上各個(gè)國家和地區(qū)的重視，科學(xué)家們表示，這種技術(shù)還可用來生產(chǎn)手機(jī)電池。對(duì)廣大科研人員及企業(yè)而言，這其中的“寶藏”也值得他們好好挖掘一番。
微生物發(fā)電能否“俘獲”市場(chǎng)？
2021年11月出版的微生物燃料電池的全球市場(chǎng)（2022年～2026年）市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告書顯示：2021年～2025年間，在全球范圍內(nèi)，微生物燃料電池的市場(chǎng)規(guī)模將以9.65％的年復(fù)合增長率增長，將達(dá)到773萬美元以上。該市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的原因主要來自于飲用水、廢水處理的需求，以及能源需求的不斷增加等。
社會(huì)在進(jìn)步，人口數(shù)量在增長，而短缺的能源和“不堪重負(fù)”的自然環(huán)境壓力越發(fā)成為了世界上各國和地區(qū)發(fā)展的掣肘。這時(shí)，微生物燃料電池應(yīng)運(yùn)而生，有望為解決上述問題提供助力。就目前得到部分應(yīng)用的新型生物污廢水處理技術(shù)來說，其能夠在污水處理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化和回收，MFC具有的能量轉(zhuǎn)換效率高、原料來源廣泛等優(yōu)勢(shì)也受到了人們的青睞。同時(shí)，MFC還在污泥處理、生物修復(fù)、海水淡化等多個(gè)領(lǐng)域有著巨大的前景和發(fā)展空間。
瑕不掩瑜，微生物燃料電池有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，但我們?nèi)圆荒芎鲆暺洚?dāng)前的不足之處，其“暇”處不僅不能忽視，也是今后應(yīng)該大力突破的重、難點(diǎn)。在實(shí)際使用過程中，質(zhì)子交換膜、貴金屬電極等的使用拉高了MFC的制造成本，目前還大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離真正實(shí)現(xiàn)“走出去”、工業(yè)化、大規(guī)模應(yīng)用仍有一段距離。
MFC產(chǎn)電微生物的產(chǎn)力偏低也是需要面對(duì)的難題，當(dāng)前，MFC處理污水的應(yīng)用技術(shù)仍處于攻堅(jiān)期，其反應(yīng)器規(guī)模、放大問題也是其無法大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，也是導(dǎo)致MFC效率不高的原因之一，其性能問題亟待解決。因此，該應(yīng)用和技術(shù)仍有進(jìn)步和優(yōu)化的空間。
敢于正視問題，才能持續(xù)前進(jìn)。針對(duì)上述難題，全球各國和地區(qū)，都在這一賽道上繼續(xù)耕耘，并漸漸的開始埋頭“解題”，以期在實(shí)踐中找到問題的“正確答案”，功夫不負(fù)有心人，在眾多科研人員的努力和汗水中，針對(duì)MFC供電能力不強(qiáng)的問題又向前邁進(jìn)了一步。35斗統(tǒng)計(jì)了部分關(guān)于MFC的研究成果和相關(guān)進(jìn)展。
圖：關(guān)于MFC的研究成果和相關(guān)進(jìn)展，數(shù)據(jù)來源：據(jù)公開資料收集
上述研究成果已經(jīng)讓我們看到了解決MFC效率不高問題的曙光，對(duì)于成本和技術(shù)問題，產(chǎn)業(yè)融合似乎是一條可行之道，多方的共同參與能拓寬研究的方向和道路，還能在思想的交流中碰撞中新的解決方案。在污、廢水擁有差異化理化特性的前提下，與其他污廢水處理工藝的連結(jié)、耦合使用能夠形成不同污水處理工藝的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有利于MFC的進(jìn)一步推廣和使用。這樣做不僅能夠提升MFC的產(chǎn)電能力，還降低處理過程中的污泥量，創(chuàng)造一筆可觀的收益，這也為污水廠的提檔升級(jí)提供了新方法。
業(yè)內(nèi)專家表示，未來，要想讓細(xì)菌發(fā)電技術(shù)擺脫在實(shí)驗(yàn)室中“不見天日”的處境，還需要不同領(lǐng)域科學(xué)家的共同努力，不同領(lǐng)域的科學(xué)家都能為微生物燃料電池貢獻(xiàn)自己的一臂之力。例如，擁有生物學(xué)背景的科研人員可以從微生物角度入手，以基因改造為工具，提高細(xì)菌的產(chǎn)電活性、找出更多類型的產(chǎn)電細(xì)菌；工程材料的專家，則能以電極材料為切入口，鉆研何種材料才能能夠產(chǎn)生更大的功率……
概而述之，MFC作為并不“新鮮”的一項(xiàng)技術(shù)發(fā)明，自誕生以來在人們的努力下正在實(shí)現(xiàn)提檔升級(jí)，待將來其身上所存在的眾多難點(diǎn)被解決之后，定能在屬于它的領(lǐng)域“大展拳腳”，我們也期待它的大規(guī)模使用及推廣。
發(fā)電，還有哪些“新鮮事”？
除開MFC，科學(xué)家們也在自然界的其他生物中尋找微生物發(fā)電的材料和“奧秘”，35斗統(tǒng)計(jì)了近年來部分有關(guān)微生物發(fā)電的成果。
圖：近年來部分有關(guān)微生物發(fā)電的成果，數(shù)據(jù)來源：據(jù)公開資料收集
上述表格中，希瓦氏菌的發(fā)電能力格外受到了人們的關(guān)注。于1988年被分離出來的希瓦氏菌，其細(xì)胞中的帶電蛋白質(zhì)，能夠讓研究人員更好的利用其進(jìn)行發(fā)電，一種名叫“DSFO+”的合成分子被科研人員應(yīng)用到了其細(xì)胞膜上，因?yàn)閹цF的特性，所以希瓦氏菌仍然可以擁有發(fā)電的能力。
加州大學(xué)圣巴拉拉分校的研究團(tuán)隊(duì)2017年發(fā)表在《化學(xué)》期刊上的文章表明：DSFO+能催化跨膜電子轉(zhuǎn)移，提高代謝效率，且在無毒條件下，其還能增強(qiáng)細(xì)菌電流產(chǎn)生的能力。
2021年，《Science》上發(fā)表了銀納米粒子提高希瓦氏菌微生物燃料電池的電荷提取效率一文，使得微生物燃料電池在美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員手中又進(jìn)一步取得了進(jìn)展，這也是天然細(xì)菌在發(fā)電領(lǐng)域方面邁出的一大步。
除了利用微生物、植物發(fā)電，世界上眾多國家和地區(qū)也在加快探索其他的發(fā)電方式，以期搶奪該領(lǐng)域的高地。我國也在發(fā)電這一賽道積極耕耘，《科技部關(guān)于發(fā)布國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”“發(fā)育編程及其代謝調(diào)節(jié)”“合成生物學(xué)”重點(diǎn)專項(xiàng)2018年度項(xiàng)目申報(bào)指南的通知》就將電能細(xì)胞設(shè)計(jì)與構(gòu)建列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。這一項(xiàng)目的實(shí)施，不僅是事關(guān)國計(jì)民生的重大社會(huì)公益性研究，對(duì)提高我國產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力、創(chuàng)新能力等方面也有重要意義。
總的來說，不論是微生物發(fā)電還是電能細(xì)胞的的設(shè)計(jì)，其都是對(duì)當(dāng)前能源短缺的重要嘗試，未來，以“科技”為畫筆，更多的發(fā)電新材料也會(huì)被畫在名為“發(fā)展”的藍(lán)圖上被展現(xiàn)出來，屆時(shí)，全球那未享受過科技之“光”的6.5億人也會(huì)看到電燈的那一束光亮。
參考資料：
1.《全球無電人口仍有8.4億：印度老大難，獨(dú)占9900萬》
2.《微生物燃料電池污廢水處理技術(shù)》
3.《微生物燃料電池的歷史與應(yīng)用前景》
4.《研究人員通過化學(xué)方式改造希瓦氏菌：顯著提升其“發(fā)電”能力》
5.《基于二茂鐵的共軛低聚電解質(zhì)催化細(xì)菌電極呼吸》