▲這些試管內的「DSFO+」合成分子能夠增強希瓦氏菌的發電能力。
▲電極材料表面的發電菌菌落。
■本報記者 張文靜
提起發電，人們往往會聯想到火電、水電、風電、核電、太陽能發電等方式。其實，小小的細菌也能發電。這也是如今被全世界不少科學家研究和關注的熱點。
增強希瓦氏菌發電能力
希瓦氏菌是一種嗜好重金屬的細菌，這種特性使其可以被用於清潔被汙染的水體中的鐵、鉛、汞元素，甚至用來發電。最近，來自美國加利福尼亞州大學聖巴拉拉分校的研究團隊在《化學》期刊上發表論文稱，經由化學方式改造後，他們增強了希瓦氏菌的發電能力。這為汙水處理廠開啟了另一扇「治水發電」的大門。
希瓦氏菌是1988年被分離出來的一種厭氧菌，其細胞中的帶電蛋白質對它的「呼吸」至關重要，通過蛋白質之間的化學變化可以產生電子，形成電流。這一發現幫助科學家研究出一種全新的以有機物為材料的清潔燃料電池。
為了更好地利用希瓦氏菌的這一發電特性，研究團隊開發出了一種名叫「DSFO+」的合成分子。研究人員在希瓦氏菌的兩種變異株系上進行了測試，結果發現DSFO+ 不僅可以完全取代天然的導電蛋白質，還能夠更有效地完成任務。即使希瓦氏菌菌株本身就具備發電能力，但它只能在無氧環境下存活下來。基於此，科研人員利用DSFO+讓希瓦氏菌菌株能在細菌裡生存幾周的時間。
「我們用這種替換分子取代了細菌細胞膜上的蛋白質，它可以促進向呼吸膜表面傳遞電子的過程。這種發電的方式讓我們有機會研究微生物上這種此前被認為不存在的行為。」研究人員吉列爾莫·巴贊說。
通常，科學家可以對有機體的基因進行修改，但流程相當複雜，還需要通過各種手段防止微生物從實驗室「逃逸」到野外，因此很難將其用於現實世界。相比之下，通過化學方式改造的這種希瓦氏菌，其「影響」則相對有限。每經過一次繁殖，DSFO+ 的含量就會被稀釋掉一部分，並最終恢復到「初始狀態」。
聰明的細菌
其實，細菌發電並不是一個新鮮事物，細菌發電原理的發現要追溯到100多年前。
1910年，英國植物學家馬克·皮特首先發現了有幾種細菌的培養液能夠產生電流。於是，他以鉑作電極，放進大腸桿菌或普通酵母菌的培養液裡，成功地製造出世界上第一個細菌電池。
1984年，美國設計出一種供遨遊太空使用的細菌電池，其電極的活性物質是太空人的尿液和活細菌，不過這種細菌電池放電率極低。直到20世紀80年代末，英國化學家彼得·彭託在細菌發電研究方面才取得了重大進展。他讓細菌在電池組裡分解電子，電流能持續數月之久。此後，各種細菌電池相繼問世。
浙江大學能源工程學院教授成少安在美國賓夕法尼亞州州立大學工作時就參與了利用細菌電池原理用廢水發電的研究。研究團隊用汙水處理站的汙水進行實驗，成少安負責實驗裝置的搭建和電極材料的研發。「在最初的可行性驗證階段，細菌發電的電量只有幾毫瓦，但看到渾濁的廢水慢慢變得清澈時，我們知道細菌正在工作。」此後，成少安一直致力於細菌發電技術的研究。
細菌產生的電流來自細菌體內新陳代謝產生的電子。但細菌發電的效率非常低，電量很微弱。如何讓細菌體內的電子儘可能多地跑到電極上去，這是該領域研究者面對的一個重要問題。
於是，電極材料的研發也吸引了很多科學家。比如，成少安就發明了碳纖維陽極。從微觀看，這些碳纖維的表面非常粗糙，形成了廣闊的表面積，可供許多細菌棲息。陰極也是一個巧妙的設計，既可以滴水不漏，又不阻攔空氣的自由流通，能為好氧細菌提供所需的氧氣。
「細菌比我們想像的聰明得多。」成少安說，一開始課題組用一層薄膜把汙水中的細菌分成厭氧、好氧兩個「房間」，但「牆壁」會令電池內部的電阻增大，影響發電效率。拆掉「牆壁」會怎樣呢？課題組發現，當細菌進入反應器一段時間之後，無需人為幹預，就會自動「站隊」，形成兩個區域，好氧的細菌緊貼在空氣陰極一側，厭氧的細菌則舒舒服服地附著在另一頭的碳材料陽極上工作。「這樣，我們的反應結構就可以簡化不少。」
廣闊的應用前景
如今，經過科學家的不斷努力，細菌電池的發電效率正在不斷上升，這也使得越來越多的科學家看到了細菌燃料電池的前景。2005年前後，這一領域的研究熱度在全世界延伸開來。
近幾年，細菌發電領域的成果不斷被公布出來。2015年，美國賓漢姆頓大學的研究人員開發出可摺疊的柔性紙電池，這款電池的主要原料是紙，電力來源正是細菌。這種可摺疊的紙質電池，依靠紙作為傳感器實現自發電。細菌則能通過新陳代謝產生足夠的能量，成為電力來源。任何含有細菌的原料，比如汗液或髒水，都可以用作發電材料。這種柔性紙電池雖然折起來只有火柴盒大小，但已足夠為一盞小LED燈提供所需電量。
2016年，荷蘭瓦根尼罕大學與瓦赫寧恩大學合作研究的細菌電池，首先以細菌用電力合成醋酸鹽，然後再利用細菌把醋酸鹽轉化成電力。細菌電池充電16小時後，可提供8小時電力。
隨後，英國牛津大學的一支科研團隊表示，他們成功模擬了一個生物能源發電站。研究人員使用計算機來控制細菌的運動，讓它們在液體中懸浮遊動。之後，他們在這些細菌中間加入輪狀結構，其周圍的細菌就會圍繞著這些輪狀物運動。這會產生一些微小的電量，為一些小型設備供電。
對於細菌發電的應用前景，成少安表示，廢水處理是很重要的一個方向。「細菌經過『馴化』，就能持續地消耗廢水中的有機物，既清潔了廢水，又能發電，而且對環境『零負擔』。」
目前被廣泛應用的廢水處理技術本身就是以消耗電能為代價的，細菌發電的技術一旦成熟走向應用，廢水本身就可以成為發電的資源。「垃圾是放錯地方的資源。」成少安說，「我們通過計算得出，一個10萬人小城市的生活產生的汙水用來發電的話，可以供給1000戶人家的用電量。」
細菌發電技術還有其他一些應用方向，比如在太空飛船上可以利用細菌把尿液等轉變成可飲用的水，海洋中的潛水艇也是一樣。這是一個可以用高效、低成本的方法解決能源問題的路徑之一。
成少安表示，未來要想讓細菌發電技術走出實驗室，還需要不同領域科學家的共同努力。比如，生物學背景的科學家可以從微生物角度去研究，通過基因改造，帶來產電活性更高的細菌類型；從工程材料的角度，科學家可以研究何種電極材料能夠產生更大的功率等。
《中國科學報》 (2017-04-07 第3版 科普)