你知道吗，用微生物也可以进行发电

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目前，电能主要是通过火力发电、水力发电以及核能发电等方式产生，。火力发电通常会导致不可再生的石化燃料的持续消耗，同时带来环境污染；水力发电和核能发电符合清洁可再生能源的标准，但是前期投入巨大，维护成本过高。寻找新的可再生能源迫在眉睫。

一部分科学家将目光投向生物界，于是打开了新世界的大门。但是你是否知道微生物也可以进行发电？没错，在微观的世界里面，科学家发现存在一种能够利用有机废物产生电能的细菌就是一种能够变废为宝的微生物，——于是将其命名为胞外产电菌。

图1 微生物发电示意图（来自文献1）

01微生物电化学的发展历程

1910年，英国杜伦大学植物学教授马克·皮特在研究微生物如何降解有机化合物时，发现了微生物可以传递电流和产生电压。1984年，美国设计出一种供遨游太空使用的微生物电池，该电池主要利用微生物分解宇航员的尿液将化学能转化为电能。随后，引起了科研人员对于微生物电化学的巨大兴趣。后来，作为微生物电化学的代表人物之一的宾夕法尼亚州立大学布鲁斯·欧内斯特·罗根教授正式将这类能够产生电能的微生物命名为胞外产电菌（exoelectrogen）。

图2 生物电化学系统发现的历史（来自参考文献2）

02会产电的微生物

胞外产电菌，特指把有机物氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到电极上产生电流、同时自身在电子传递过程中获得能量支持菌类生长的一种微生物，又称为电活性微生物或电极呼吸微生物。胞外产电菌主要以细菌为主，分别为变形菌门、厚壁菌门和酸杆菌门。变形菌门是目前研究中发现胞外产电菌最多的一门，且发现绝大多数产电菌为异化金属还原菌，并且多数为革兰氏阴性菌，其中兼性厌氧菌和严格厌氧菌偏多。

胞外产电菌通常将电子从具有低电位的还原底物转移到具有高电位的电子受体，如氧来获得能量。所获得的能量可以计算为：ΔG=-n×F×ΔE [n代表交换的电子数，F代表法拉第常数（96485 C/mol），ΔE用电子供体和受体之间的电位差]。如果细菌消耗葡萄糖产生NADH，随后NADH作为电子介体通过氧化还原反应将电子传递给氧分子（不考虑潜在NADH减少，2电子/每分子NADH），电势差是约1.2 V [ΔE =(+0.840V)-(-0.320V)]，获得的能量ΔG=2×102 kJ/mol。

在微生物电池系统中，电子向电极的传递需要一个物理的传递过程来完成电池外部的电子转移。这一过程可以通过使用可溶性的电子介体或者结合膜的电子介体复合体来实现。这些电子介体包括NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素等。

图3 胞外产电菌电子传递机制（来自参考文献3）

表1 氧化还原反应电位（来自参考文献3）

03微生物电化学的应用

一直以来，限制着人体可穿戴器件发展的一个主要挑战就是电池技术，尤其是对于一些植入式的可穿戴器件。如果可穿戴器件要做成微型化，必须要面对的一个问题供电系统的微型化。

2022年，马萨诸塞大学Derek R. Lovley教授课题组证明了有可能巧妙地将胞外产电菌生物膜设计成一种内聚的、且柔性的材料，用于可以通过利用人体蒸发的汗液来长期连续发电。单个生物膜片(约40 µm厚)作为可穿戴电子器件中的功能组件，可持续产生比更厚的工程材料更高的功率密度(约1 µW/cm2)。值得注意的是，能量输出与在微生物燃料电池中用类似大小的生物膜催化电流产生所获得的能量输出相当，而不需要有机原料或保持细胞活力。作者将生物膜可以夹在一对网状电极之间，用于可扩展的器件集成和电流产生。这些器件保持了在离子溶液中的能量生产，并可用作皮肤贴片器件，从皮肤上的汗水和水分中获取电力，为可穿戴器件持续供电。这些结果表明该工作证明了，我们可以利用自然界中无处不在的生物膜在不同的水环境中进行基于蒸发的发电。

图4 用于可穿戴器件的胞外产电菌微生物膜（来自参考文献8）

2023年，纽约州立大学宾汉姆顿分校Seokheun Choi课题组则突发奇想，报道了一种用于可摄取应用的微生物生物电池胶囊的设计。该胶囊被设计成通过巧妙地设计可以在营养丰富但缺氧的人体小肠中发挥作用。该胶囊的特点是含有发芽层，预装益生菌枯草芽孢杆菌孢子的3D导电水凝胶阳极室以及带有富氧阴极的小型化生物电池。中性pH敏感性胶囊膜在小肠的环境条件下选择性溶解，具有长的转运时间。微孔导电PEDOT:PSS水凝胶确保了大的表面积和有效的传质，允许更多的孢子接种和孢子更好的代谢，同时生物电池性能显著增强。细菌内孢子的使用彻底改变了生物电池技术，使其更适合于可摄取的应用，提供了长期的保质期，并且易于用肠液活化。富氧阴极使得生物电池能够在缺氧的肠道环境中稳定可靠地运行。生物电池胶囊在模拟肠液中产生最佳性能，电流密度为470 µA cm−2，功率密度为98 µW cm−2。

图5 微生物电池的可摄入应用（来自参考文献9）

还有一些研究人员则想到了利用胞外产电菌处理一些废物产生电能，实现变废为宝。图5展示了西英格兰大学学者的一项成果。在英国举办格拉斯顿伯里音乐节（世界上规模最大的音乐节之一）的时候，他们对节日举办现场的卫生间进行了改造，利用微生物处理人体的排泄物来产生电力供应，满足照明需求。这一环保设计获得了不错的反响。

图6 微生物产电为卫生间提供照明（来自文献10）

英国科学家甚至设想了在未来出现的能够“吃剩饭”的微生物机器人。这种机器人可以利用各种厨余垃圾以及有机废物作为“燃料”进行发电。微生物的胃口不大，家里的垃圾或许就能养个机器人，同时作为家庭电力供应的补充。

图7 微生物电池（图片来自参考文献12）

微生物产电，作为一种新型的电化学技术，由于其可再生循环，符合环保减排的理念，成为未来新兴能源技术的重要组成部分。相信在不久后，我们能越来越多地用上微生物产生的电能。