能源是我们赖以生存和发展的重要基础，现在我们所依赖的煤、石油和天然气等化石燃料，具有不可再生性，预计将在未来100年或稍长的时间内枯竭，全球能源安全面临着严峻的挑战。同时，化石能源的利用也造成了严重的环境污染。因此，寻找清洁的替代能源就显得格外迫切了。微生物燃料电池（Microbialfuel cells, MFCs）便是其中的一种选择。
自制的微生物燃料电池
微生物燃料电池的思路源自20世纪初。1911年，英国植物学家波特（Pitter）就发现大肠杆菌和酵母菌能够产生电流，但是相当长一段时间内，由于其产电量少、成本高，而且需求不迫切，该技术一直得不到发展。但进入21世纪以来，人们再次将目光投到了这个领域。
微生物燃料电池的基本结构包括阳极室和阴极室，两者中间以特殊的半透膜隔开。阳极室连接电池的阳极，里面灌满了酸碱缓冲液、营养液，生存着产电微生物。产电微生物是其中的核心，它们要将电子供体氧化并将电子传递到阳极。其与普通微生物最大的区别在于能将细胞呼吸过程中产生的电子释放到细胞外，同时也能从电子传递中获得能量而生长。
目前已知的产电微生物有20多种。其中，希万氏菌和硫还原地杆菌已经成为研究的模式菌，完成了全基因组测序。阴极室内存在着电子受体溶液，接受穿过半透膜传递来的电子，如果电子受体为空气中的氧气，则结构更为简单。两个室之间的半透膜的作用是让质子或其它带电粒子通过，形成电流，防止阴极氧化剂和阳极的燃料直接接触。目前，微生物燃料电池已经取得了长足进步，电压最高达到过1.385V，离普通电池的1.5V已经非常接近，如果将多个电池串联，曾经得到过2.02V的电压。
微生物燃料电池也已经有了小型化应用，如Tender等人曾用它来驱动波托马克河中的气象光学浮标，持续供电7个月，直到浮标被冰块撞坏……英国科学家甚至设想了未来能够“吃剩饭”的机器人——利用各种剩菜剩饭以及落叶作为机器人的电池“燃料”。微生物的胃口不大，家里的垃圾或许就能养个机器人。
研究人员正在使用细菌将废水有机物转化为电能
同样的道理，废水发电也是科学家期待的领域，如果能将污水处理厂借助该技术变成发电站，那同样是效益巨大的。以我国为例，2010年废水排放总量为617.3亿吨，其中蕴含潜在的电能为5.15×10^10千瓦时，而我国当年用于废水处理的总耗电量为4×10^10千瓦时。如果将其潜在电能挖掘出来，不仅能弥补耗电，而且还能反哺电网，变废为宝。此外，微生物燃料电池在制氢以及将大气中的二氧化碳转化成甲烷等燃料气体方面也大有前途。
撰文/冉浩
本文节选自《知识就是力量》杂志
