據(jù)估計(jì)，到2050年，世界人口將達(dá)到95億。鑒于我們目前的能源大部分來(lái)自化石燃料，這在提供足夠的可持續(xù)電力的同時(shí)緩解氣候變化方面帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。

近幾年來(lái)，有一個(gè)想法得到了廣泛的關(guān)注，那就是利用微生物燃料電池（MFCs）中的細(xì)菌發(fā)電。這些燃料電池依賴于某些自然存在的微生物的能力，這些微生物能夠“呼吸”金屬，交換電子來(lái)產(chǎn)生電能。這一過(guò)程可以使用稱為基質(zhì)的物質(zhì)作為燃料，其中包括廢水中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)物。

目前，微生物燃料電池能夠發(fā)電，為計(jì)算器、小風(fēng)扇和發(fā)光二極管等小型設(shè)備提供動(dòng)力。在我們的實(shí)驗(yàn)室里，我們用“模擬廢水”為一棵微型圣誕樹上的燈供電。但如果這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)大規(guī)模，它將大有可為。

它們的工作原理

MFCs使用一個(gè)由陽(yáng)極和陰極電極組成的系統(tǒng)，可以通過(guò)電流輸入或輸出。常見的MFCs系統(tǒng)由一個(gè)陽(yáng)極室和一個(gè)被膜隔開的陰極室組成。細(xì)菌在陽(yáng)極上生長(zhǎng)，并將底物轉(zhuǎn)化為二氧化碳、質(zhì)子和電子。

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產(chǎn)生的電子隨后通過(guò)外部電路轉(zhuǎn)移到陰極室，而質(zhì)子則通過(guò)薄膜。在陰極室中，質(zhì)子和電子之間的反應(yīng)會(huì)消耗掉氧氣并形成水。只要基底不斷轉(zhuǎn)換，電子就會(huì)流動(dòng)，這就是電。

通過(guò)MFCs發(fā)電有許多優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)可以在任何地方建立；它們產(chǎn)生的“污泥”比傳統(tǒng)的廢水處理方法（如活性污泥系統(tǒng)）少；它們可以是小規(guī)模的，但模塊化設(shè)計(jì)可以用來(lái)建立更大的系統(tǒng)；它們對(duì)鹽度有很高的耐受性；它們可以運(yùn)行在室溫下。

可用于在MFCs中發(fā)電的各種可再生基板的可用性有可能在未來(lái)徹底改變電力生產(chǎn)。這些基質(zhì)包括尿液、廢水中的有機(jī)物、活植物分泌到土壤中的物質(zhì)（根系分泌物）、無(wú)機(jī)廢物，如硫化物，甚至氣體污染物。

一、糞便微生物

糞便和尿液等廢物中的可生物降解物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為電能。這在加納的一個(gè)微生物燃料電池廁所中得到了證實(shí)，這表明廁所將來(lái)可能成為潛在的發(fā)電站。這座運(yùn)行了兩年的廁所能夠產(chǎn)生268納瓦/平方米的電能，足以為廁所內(nèi)的LED燈供電，同時(shí)去除尿液中的氮，并將糞便堆肥。

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對(duì)于沒有電網(wǎng)供電的地方或難民營(yíng)，利用廁所中的廢物發(fā)電可能是真正的革命。

二、植物MFCs

MFCs可以用來(lái)發(fā)電的另一種可再生和可持續(xù)的基質(zhì)是植物根系分泌物，即所謂的植物MFCs。當(dāng)植物生長(zhǎng)時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生葡萄糖等碳水化合物，其中一些會(huì)滲出到根系中。根部附近的微生物將碳水化合物轉(zhuǎn)化為質(zhì)子、電子和二氧化碳。

在植物MFCs中，質(zhì)子通過(guò)膜傳遞，然后與氧氣重新結(jié)合，完成電子轉(zhuǎn)移的回路。通過(guò)將負(fù)載連接到電路中，所產(chǎn)生的電能就可以利用了。

工廠MFC可以徹底改變那些無(wú)法接入電網(wǎng)的孤立社區(qū)的電力生產(chǎn)。在城鎮(zhèn)里，街道可以用樹照明。

三、微生物脫鹽池

微生物燃料電池的另一個(gè)變種是微生物脫鹽電池。這些裝置利用細(xì)菌發(fā)電，例如從廢水中發(fā)電，同時(shí)使水脫鹽。將要脫鹽的水放入夾在MFCs的陽(yáng)極室和陰極室之間的室中，使用帶負(fù)（陰離子）和正（陽(yáng)離子）電荷的離子的膜。

當(dāng)陽(yáng)極室中的細(xì)菌消耗廢水時(shí)，會(huì)釋放出質(zhì)子。這些質(zhì)子不能通過(guò)陰離子膜，所以負(fù)離子從鹽水進(jìn)入陽(yáng)極室。在陰極，質(zhì)子被消耗掉，所以帶正電的離子從鹽水移到陰極室，使中間室的水淡化。陽(yáng)極和陰極室釋放的離子有助于提高發(fā)電效率。

傳統(tǒng)的海水淡化目前是非常能源密集的，因此成本高昂。一種在生產(chǎn)（不消耗）電能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模海水淡化的工藝將是革命性的。

四、提高天然氣產(chǎn)量

厭氧消化-微生物在不需要氧氣的情況下分解可生物降解或廢物，通過(guò)產(chǎn)生沼氣（主要是天然氣的主要成分）從廢水中回收能量。但這個(gè)過(guò)程通常效率低下。

研究表明，這些消化器中使用的微生物群共享被稱為種間電子轉(zhuǎn)移的電子，這為它們利用正能量影響新陳代謝開辟了可能性。

通過(guò)向厭氧消化池提供一個(gè)小電壓——一種稱為電甲烷生成的過(guò)程——甲烷產(chǎn)量（以及由此可從熱電廠回收的電力）可以顯著提高。

雖然微生物燃料電池能夠發(fā)電為小型設(shè)備提供動(dòng)力，但研究人員正在研究如何擴(kuò)大反應(yīng)器的規(guī)模，以增加其發(fā)電量，并進(jìn)一步了解細(xì)胞外電子傳遞是如何工作的。一些初創(chuàng)公司，如Robial和Plant-e開始將微生物燃料電池商業(yè)化。未來(lái)，微生物燃料電池甚至可以在人類長(zhǎng)期太空任務(wù)中用于再生生命支持系統(tǒng)發(fā)電。雖然還處于早期階段，但這項(xiàng)技術(shù)仍有很大的發(fā)展前景。