微生物燃料電池種類簡介

殼質(zhì)可為海洋微生物燃料電池提供豐厚養(yǎng)料
????? 在可再生能源開發(fā)領域，海洋微生物燃料電池占有相當重要的一席之地。這種綠色水用能量供應系統(tǒng)具有可再生性、環(huán)保性和可持續(xù)發(fā)展性的優(yōu)勢，而且實用性、普適性也很強。科學家希望能夠利用海洋微生物及淡水微生物的天然食性，在海洋或淡水水域產(chǎn)生可持續(xù)十多年的能量來源，為布置于近海和淡水水域的傳感器持久供電。而且，如果這種能源能夠實用化，還可依據(jù)其來研究發(fā)展獨特的水域移動監(jiān)視系統(tǒng)。
　　在現(xiàn)實生活當中，水用能量供應系統(tǒng)經(jīng)常被放置到遙遠水域，為諸多被放置在浮標上或放置在水中的傳感器提供能量。這些傳感器常被用來測量海水或河水及湖水的溫度、壓力、鹽度、密度和混濁度以及污染排放物，還被用來監(jiān)測海上鉆井平臺的周邊水域，以及海水、河水及湖水的污染狀況，比如由赤潮引起的水質(zhì)變化。還有一些用來測量聲音及光線在水下的傳導率的小型便攜式儀器，也需要能夠持久供電的能量來源。因為，盡管上述裝置需要的能量都很小，但被考察的地區(qū)往往需要長期遙控監(jiān)測。

　　據(jù)最新一期的美國《環(huán)境科技》雜志報道，美國賓夕法尼亞大學科學家在海洋微生物燃料電池領域取得了一些新進展。他們發(fā)現(xiàn)，被丟棄的蟹殼、蝦殼又有新用途，它們很可能是延長水上傳感器的供電源———微生物燃料電池使用壽命的關鍵。

　　為了產(chǎn)生電能，微生物燃料電池需要為細菌提供食物———有機物質(zhì)。然而，深海海底的沉積物可能極度缺乏有機物，因為海洋中的活體生物一般都生活在光線能夠穿透海水的透光層。這些生物在此區(qū)域不斷再循環(huán)，形成一個食物鏈，很少能夠有有機物質(zhì)掉落到海床。科學家認為，缺少細菌食物源———有機物，限制了海洋微生物燃料電池的使用壽命。

　　賓州大學的研究人員用一個用碳纖維布制作的枕頭狀電極，對包括甲殼類動物處理過程的下腳料———殼質(zhì)在內(nèi)的各種甲殼物質(zhì)進行研究，電極被放置在海底沉積物里或懸在水中，以供自然存在的微生物通過吞吃殼質(zhì)維持體力，四下游動，造成電荷流動。

　　微生物燃料電池的工作原理如下：細菌在水中活動時，能把電子傳到陽極，這些電子通過導線從陽極流動到陰極，因而產(chǎn)生電流。在此過程中，細菌需要消耗水中或水底沉積物中的有機物質(zhì)。賓州科學家們利用在海洋中天然存在的微生物，因為有如此之多的海洋生物產(chǎn)生殼質(zhì)，許多海洋微生物就靠分解殼質(zhì)為生。

　　研究人員包括環(huán)境工程學教授布魯斯·洛根、土木工程助理教授雷切爾·布倫南、農(nóng)業(yè)及生物工程助理教授湯姆·理查德等人。他們測試了兩種殼質(zhì)和一種纖維素。結果發(fā)現(xiàn):纖維素不如殼質(zhì)。他們認為，這是因為海洋如此習慣于殼質(zhì)，以至于靠吃殼質(zhì)為生的天然海洋微生物遠遠多于靠吃纖維素者。

　　研究小組在實驗室條件下做了一個海洋微生物燃料電池，外殼是一個玻璃瓶，瓶底放置著海底沉積物，里面埋著用碳纖維布制作的導電陽極，鉑陰極懸浮在水中。當然，如果是在海里，就無需使用容器，但陽極和陰極必須靠得足夠近，以使正電荷可以經(jīng)由液體水到達陰極。

　　研究人員測試了兩種不同尺寸的殼質(zhì)，結果發(fā)現(xiàn)，在無需為細菌增加有機食物的情況下，這兩種殼質(zhì)都能增加海洋微生物燃料電池的產(chǎn)電能力，而且細顆粒殼質(zhì)的產(chǎn)電能力幾乎是粗顆粒殼質(zhì)的兩倍。這說明，海洋微生物更容易消化細顆粒殼質(zhì)。

　　研究人員對這個發(fā)現(xiàn)很感興趣，認為能夠通過調(diào)整顆粒的尺寸大小，來控制細菌消耗殼質(zhì)的比率，進而改變海洋微生物燃料電池的電力輸出功率和微生物燃料電池的使用壽命。從技術上來講，人類完全可以通過為細菌提供更多的食物來增加電池的功率。

【1】?? 生物燃料電池。
??? 這種電池利用生物的異化作用，氧化微生物中的有機物，將化學能轉化為電能。在有機物的分解過程中，必然會產(chǎn)生電子流。利用一定的方法獲取這些電子流，將它導向外部電路，從而實現(xiàn)化學能和電能之間的轉化。
利用這個原理，我們可以采取兩種方式。
一是保持微生物細胞的完整性，在介體的幫助下將化學能轉化為電能。氧化態(tài)的小分子介體可以穿過細胞膜或酶的蛋白質(zhì)外殼到達反應部位,接受電子之后的成為還原態(tài),然后擴散到陽極上發(fā)生氧化反應. 以使用醇脫氫酶的甲醇燃料電池為例，在陽極區(qū)進行酶催化反應,原料甲醇脫氫氧化后產(chǎn)生的電子,先轉移到ＡＤＨ的活性中心,然后在介體(ＭＥＤ)的幫助下傳遞到陽極,再通過外電路負載Ｌ到達陰極。反應中產(chǎn)生的質(zhì)子(Ｈ+)穿過質(zhì)子交換膜進入陰極區(qū),與氧一起在陰極上反應,接受來自外電路的電子,生成水。
另一種方式是破壞細菌的細胞膜，使細胞內(nèi)與有機物分解的酶，細胞器等暴露出來。酵母細胞破壞后仍然具有進行糖酵解的能力。說明細胞破壞后其生理活性在一定時間內(nèi)不會喪失。其反應原理仍如前所敘。而且生物催化酶與電極的直接接觸可以提高生物電池電勢。但是電池內(nèi)的微生物破裂后一段時間會失活，我們必須維持一定數(shù)量的完整微生物，同時保證一部分微生物的胞液在電池中。為了達到這個目的，我們可以將溫和病毒中控制溶原裂解的基因轉入該微生物，讓它在一定時間后裂解，同時其他個體保持完整狀態(tài)，進行繁殖。從而進行可持續(xù)發(fā)電。　
【2】 光合細菌電池。
??? 在條件惡劣，陽光缺乏的深海區(qū)，能長時間工作的光合細菌電池會給人帶來無窮的便利。
光合細菌有兩種，一種是好氧性的藍細菌，進行放氧性光合作用。一種是生活與缺氧環(huán)境中的綠色和紫色光合細菌，進行非放養(yǎng)性光合作用。他們的反應中心都是葉綠體。葉綠體在吸收光波后放出電子，這個電子被電子接受分子接受后，傳遞給另一種葉綠體，在這種葉綠體中接受電子的同時，產(chǎn)生一個ATP分子。利用某種介體將用于產(chǎn)生ATP的能量奪走，然后這么介體到達電極，釋放電子到電極。這樣光合途徑有電子的傳遞，能夠使光合作用正常進行。這種作用原理如同氧化磷酸化中的阻斷劑，阻止ATP的形成，將化學能轉化為熱能，而在光合細菌電池中，化學能轉化成電能。
生物膜電池
學過動物學，我們都會對電遙攻擊天敵強大的電流嘆為觀止。這就是生物的膜電勢。
膜電勢形成的原因是膜內(nèi)外的離子濃度不相同，從而使離子有不同的流動趨勢。細胞膜的特殊結構卻阻止其流動。所以膜電勢形成的最終原因是特殊的離子運輸?shù)鞍自斐傻碾x子濃度差。在微生物中，很多寄生個體（如引起梅毒的螺旋體）都有發(fā)達的表面蛋白控制物質(zhì)運輸。在其基因組中有很多重復序列，有猜想認為這些序列的部分重用導致了多種多樣的表面運輸?shù)鞍住Ｎ覀兛梢钥紤]對其表面蛋白的基因進行剪切，保留可以提高膜內(nèi)外離子濃度差的基因，再將這些基因轉入能自主生活的個體（如酵母菌，藍細菌）中，使他們代謝產(chǎn)生的能量用以維持膜內(nèi)外的離子勢能。另外許多同種細菌轉導可以使內(nèi)外離子濃度差變小或者使其逆轉的基因。這樣，這兩種不同的轉基因細菌的細胞膜外將存在電勢差。將這兩種細菌放在電解槽內(nèi)，再在細菌的混合液中加上一定的引導電場，使他們朝不同電極方向聚集，這樣兩極上聚集不同膜電勢的細菌，電池兩極有電壓，電池工作。或者被轉導細菌選擇磁細菌，用磁場代替引導電場，可以起到同樣的效果。
雖然三種電池利用的原理不同，然而要知道，生物是一個整體，所利用的只是生物整體的三個方面，同時，三者又有著密切的聯(lián)系。像膜電池如果運用到光合細菌上，那么實際上利用的能量也只是光能轉化成的電能。
對于第一種生物燃料電池，麻省理工學院等一些世界知名研究機構已經(jīng)開發(fā)出成品，然而對于后兩種更多的是我們對于微生物學習的一些想法，雖然原理存在著很多漏洞，并不完善（如在第二種方法中，取得ATP能量的介質(zhì)就不一定很容易得到），但是從本質(zhì)上相信都是可能的，只是制作方法有一定的難度。
雖然這一切都有一定的距離，但是這些想法的前景會吸引我們不斷的向它靠近。如光合細菌電池就有具有重大的意義。進行非放氧光合作用的紫色和綠色光合細菌可以在光線黯淡，氧氣缺乏的深海中生活。其做成的電池驅動的裝置可以在海底自己供能，長時間的搜集資料。而放氧性光合細菌構成的電池經(jīng)過進一步發(fā)展有可能成為光利用率更搞的太陽能電池。對于膜電池，如果該想法能付之于實踐，那么可以推廣到所有的生物（病毒等除外），因為幾乎左右的生物都有著細胞膜。這樣，我們身邊會有著讓人難以想象的能量將被我們利用。
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