被“驯化”的细菌能发电

▲这些试管内的“DSFO+”合成分子能够增强希瓦氏菌的发电能力。

▲电极材料表面的发电菌菌落。

■本报记者 张文静

提起发电，人们往往会联想到火电、水电、风电、核电、太阳能发电等方式。其实，小小的细菌也能发电。这也是如今被全世界不少科学家研究和关注的热点。

增强希瓦氏菌发电能力

希瓦氏菌是一种嗜好重金属的细菌，这种特性使其可以被用于清洁被污染的水体中的铁、铅、汞元素，甚至用来发电。最近，来自美国加利福尼亚州大学圣巴拉拉分校的研究团队在《化学》期刊上发表论文称，经由化学方式改造后，他们增强了希瓦氏菌的发电能力。这为污水处理厂开启了另一扇“治水发电”的大门。

希瓦氏菌是1988年被分离出来的一种厌氧菌，其细胞中的带电蛋白质对它的“呼吸”至关重要，通过蛋白质之间的化学变化可以产生电子，形成电流。这一发现帮助科学家研究出一种全新的以有机物为材料的清洁燃料电池。

为了更好地利用希瓦氏菌的这一发电特性，研究团队开发出了一种名叫“DSFO+”的合成分子。研究人员在希瓦氏菌的两种变异株系上进行了测试，结果发现DSFO+ 不仅可以完全取代天然的导电蛋白质，还能够更有效地完成任务。即使希瓦氏菌菌株本身就具备发电能力，但它只能在无氧环境下存活下来。基于此，科研人员利用DSFO+让希瓦氏菌菌株能在细菌里生存几周的时间。

“我们用这种替换分子取代了细菌细胞膜上的蛋白质，它可以促进向呼吸膜表面传递电子的过程。这种发电的方式让我们有机会研究微生物上这种此前被认为不存在的行为。”研究人员吉列尔莫·巴赞说。

通常，科学家可以对有机体的基因进行修改，但流程相当复杂，还需要通过各种手段防止微生物从实验室“逃逸”到野外，因此很难将其用于现实世界。相比之下，通过化学方式改造的这种希瓦氏菌，其“影响”则相对有限。每经过一次繁殖，DSFO+ 的含量就会被稀释掉一部分，并最终恢复到“初始状态”。

聪明的细菌

其实，细菌发电并不是一个新鲜事物，细菌发电原理的发现要追溯到100多年前。

1910年，英国植物学家马克·皮特首先发现了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。

1984年，美国设计出一种供遨游太空使用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌，不过这种细菌电池放电率极低。直到20世纪80年代末，英国化学家彼得·彭托在细菌发电研究方面才取得了重大进展。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。

浙江大学能源工程学院教授成少安在美国宾夕法尼亚州州立大学工作时就参与了利用细菌电池原理用废水发电的研究。研究团队用污水处理站的污水进行实验，成少安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，细菌发电的电量只有几毫瓦，但看到浑浊的废水慢慢变得清澈时，我们知道细菌正在工作。”此后，成少安一直致力于细菌发电技术的研究。

细菌产生的电流来自细菌体内新陈代谢产生的电子。但细菌发电的效率非常低，电量很微弱。如何让细菌体内的电子尽可能多地跑到电极上去，这是该领域研究者面对的一个重要问题。

于是，电极材料的研发也吸引了很多科学家。比如，成少安就发明了碳纤维阳极。从微观看，这些碳纤维的表面非常粗糙，形成了广阔的表面积，可供许多细菌栖息。阴极也是一个巧妙的设计，既可以滴水不漏，又不阻拦空气的自由流通，能为好氧细菌提供所需的氧气。

“细菌比我们想象的聪明得多。”成少安说，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阴极一侧，厌氧的细菌则舒舒服服地附着在另一头的碳材料阳极上工作。“这样，我们的反应结构就可以简化不少。”

广阔的应用前景

如今，经过科学家的不断努力，细菌电池的发电效率正在不断上升，这也使得越来越多的科学家看到了细菌燃料电池的前景。2005年前后，这一领域的研究热度在全世界延伸开来。

近几年，细菌发电领域的成果不断被公布出来。2015年，美国宾汉姆顿大学的研究人员开发出可折叠的柔性纸电池，这款电池的主要原料是纸，电力来源正是细菌。这种可折叠的纸质电池，依靠纸作为传感器实现自发电。细菌则能通过新陈代谢产生足够的能量，成为电力来源。任何含有细菌的原料，比如汗液或脏水，都可以用作发电材料。这种柔性纸电池虽然折起来只有火柴盒大小，但已足够为一盏小LED灯提供所需电量。

2016年，荷兰瓦根尼罕大学与瓦赫宁恩大学合作研究的细菌电池，首先以细菌用电力合成醋酸盐，然后再利用细菌把醋酸盐转化成电力。细菌电池充电16小时后，可提供8小时电力。

随后，英国牛津大学的一支科研团队表示，他们成功模拟了一个生物能源发电站。研究人员使用计算机来控制细菌的运动，让它们在液体中悬浮游动。之后，他们在这些细菌中间加入轮状结构，其周围的细菌就会围绕着这些轮状物运动。这会产生一些微小的电量，为一些小型设备供电。

对于细菌发电的应用前景，成少安表示，废水处理是很重要的一个方向。“细菌经过‘驯化’，就能持续地消耗废水中的有机物，既清洁了废水，又能发电，而且对环境‘零负担’。”

目前被广泛应用的废水处理技术本身就是以消耗电能为代价的，细菌发电的技术一旦成熟走向应用，废水本身就可以成为发电的资源。“垃圾是放错地方的资源。”成少安说，“我们通过计算得出，一个10万人小城市的生活产生的污水用来发电的话，可以供给1000户人家的用电量。”

细菌发电技术还有其他一些应用方向，比如在太空飞船上可以利用细菌把尿液等转变成可饮用的水，海洋中的潜水艇也是一样。这是一个可以用高效、低成本的方法解决能源问题的路径之一。

成少安表示，未来要想让细菌发电技术走出实验室，还需要不同领域科学家的共同努力。比如，生物学背景的科学家可以从微生物角度去研究，通过基因改造，带来产电活性更高的细菌类型；从工程材料的角度，科学家可以研究何种电极材料能够产生更大的功率等。