微生物燃料电池：向废物要能量

据道琼斯公司旗下财经网站最新消息，全球微生物燃料电池市场将在2028年达到可观规模。微生物燃料电池再次成为新能源的热点话题。

早在20世纪60年代，美国国家航空航天局就对有机废物转化为电力产生兴趣。1984年，美国科研人员成功制造了一种能在太空中使用的微生物燃料电池，其燃料主要是宇航员的尿液等排泄物，不过，当时的放电率极低。近几年，在科学家的不断努力下，利用微生物发电的技术出现了更大的突破。

2021年，华人科学家段镶锋和黄昱课题组在国际知名学术期刊《科学》上发表的重磅论文称，已将微生物燃料电池的功率密度提升到每平方厘米0.66毫瓦，实现了成倍增长，引起业界广泛关注。美国马萨诸塞州大学微生物学家德里克·洛夫利团队，将微生物燃料电池设计思路，应用于柔性可穿戴电子器件中，为该领域带来了更多新机遇。

微生物燃料电池发电的原理，主要是利用一类叫作胞外产电菌的微生物。在阳极侧，胞外产电菌通过分解有机物产生细胞外电子，人为通过导线构建外电路，实现对这些电子的利用；在阴极侧，空气中的氧气接受电子发生氧还原反应生成水。

目前，具有产电优势的胞外产电菌，包括硫还原地杆菌和希瓦氏菌。最新研究发现，硫还原地杆菌能产生纳米导线，并通过纳米导线向电极传递电子，其导电率超过每厘米30西门子。另一方面，希瓦氏菌可以将银离子还原成银纳米线，作为其向外传递电子的通道。在希瓦氏菌体系微生物燃料电池中，引入金属银离子可以实现更高的电子传递效率。除了通过导电纳米线接触电极材料表面直接进行电子传递，胞外产电菌还通过一些电子穿梭介体进行与电极之间的电子传递过程。

在电极材料方面，碳材料由于简单易得、成本低，以及生物相容性好而得到广泛使用。然而，单一的碳材料在电化学性能方面表现一般。近年来，通过一系列化学和物理修饰方法，科研人员对碳材料电极进行改性，进一步提高了与胞外产电菌之间的电子传递效率。为了进一步提高电极上胞外产电菌的负载量，提高产电性能，设计三维结构电极也受到了越来越多的关注。

微生物燃料电池拥有广阔的应用前景，从最初的美国国家航空航天局将其应用于空间站的宇航员日常生活，到现在美国海军计划将其应用于半潜式无人潜航器等新型水下装备，可谓上天下海，尽显其能。2003年，科研人员研制出第一个利用微生物燃料电池作为动力来源的机器人。这款机器人使用电解电容器临时存储来自微生物燃料电池的能量，一旦充满，能量就被释放出来驱动运动马达使其移动。

近年来，由于微生物燃料电池技术逐渐成熟，受到商业资本青睐，走向民用领域。目前，一些公司，比如美国泥瓦特和荷兰植物电出售微生物燃料电池产品，可以为移动电话等小型电子设备充电。然而，这些产品相比于目前的储能电池而言，体积要大几十倍，需要进一步提升单位体积的功率密度。

更有意思的是，英国西英格兰大学的科研人员，在非洲乌干达为当地的一所女子学校安装了微生物燃料电池组，通过将尿液转化为电能，可以给厕所和校内的一条通道提供照明，有效解决了学校电力供应不足的问题。对于卫生条件堪忧和电力尚未完全普及的某些区域，微生物燃料电池技术有望产生巨大的影响。

微生物燃料电池是一种可以从废物中产生能量，而不需要输入外部或额外能量的先进技术，同时可以应用于污染物降解，实现对生态环境的保护。通过对微生物燃料电池技术的不断研究，我们或许能够找到一条解决全球环境问题的办法。

（第一作者系华中科技大学环境科学与工程学院教授、博士生导师，第二作者系华中科技大学环境科学与工程学院在读博士）