微生物燃料電池種類簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)領(lǐng)域，海洋微生物燃料電池占有相當(dāng)重要的一席之地。這種綠色水用能量供應(yīng)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(shì)，而且實(shí)用性、普適性也很強(qiáng)?？茖W(xué)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(lái)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?qū)嵱没?，還可依據(jù)其來(lái)研究發(fā)展獨(dú)特的水域移動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)。
在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，水用能量供應(yīng)系統(tǒng)經(jīng)常被放置到遙遠(yuǎn)水域，為諸多被放置在浮標(biāo)上或放置在水中的傳感器提供能量。這些傳感器常被用來(lái)測(cè)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(lái)監(jiān)測(cè)海上鉆井平臺(tái)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(lái)測(cè)量聲音及光線在水下的傳導(dǎo)率的小型便攜式儀器，也需要能夠持久供電的能量來(lái)源。因?yàn)椋M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(zhǎng)期遙控監(jiān)測(cè)。
據(jù)最新一期的美國(guó)《環(huán)境科技》雜志報(bào)道，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)科學(xué)家在海洋微生物燃料電池領(lǐng)域取得了一些新進(jìn)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(zhǎng)水上傳感器的供電源———微生物燃料電池使用壽命的關(guān)鍵。
為了產(chǎn)生電能，微生物燃料電池需要為細(xì)菌提供食物———有機(jī)物質(zhì)。然而，深海海底的沉積物可能極度缺乏有機(jī)物，因?yàn)楹Ｑ笾械幕铙w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(gè)食物鏈，很少能夠有有機(jī)物質(zhì)掉落到海床?？茖W(xué)家認(rèn)為，缺少細(xì)菌食物源———有機(jī)物，限制了海洋微生物燃料電池的使用壽命。
賓州大學(xué)的研究人員用一個(gè)用碳纖維布制作的枕頭狀電極，對(duì)包括甲殼類動(dòng)物處理過(guò)程的下腳料———?dú)べ|(zhì)在內(nèi)的各種甲殼物質(zhì)進(jìn)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(guò)吞吃殼質(zhì)維持體力，四下游動(dòng)，造成電荷流動(dòng)。
微生物燃料電池的工作原理如下：細(xì)菌在水中活動(dòng)時(shí)，能把電子傳到陽(yáng)極，這些電子通過(guò)導(dǎo)線從陽(yáng)極流動(dòng)到陰極，因而產(chǎn)生電流。在此過(guò)程中，細(xì)菌需要消耗水中或水底沉積物中的有機(jī)物質(zhì)。賓州科學(xué)家們利用在海洋中天然存在的微生物，因?yàn)橛腥绱酥嗟暮Ｑ笊锂a(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(xué)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(cè)試了兩種殼質(zhì)和一種纖維素。結(jié)果發(fā)現(xiàn):纖維素不如殼質(zhì)。他們認(rèn)為，這是因?yàn)楹Ｑ笕绱肆?xí)慣于殼質(zhì)，以至于靠吃殼質(zhì)為生的天然海洋微生物遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于靠吃纖維素者。
研究小組在實(shí)驗(yàn)室條件下做了一個(gè)海洋微生物燃料電池，外殼是一個(gè)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(dǎo)電陽(yáng)極，鉑陰極懸浮在水中。當(dāng)然，如果是在海里，就無(wú)需使用容器，但陽(yáng)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(dá)陰極。
研究人員測(cè)試了兩種不同尺寸的殼質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在無(wú)需為細(xì)菌增加有機(jī)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(xì)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(shuō)明，海洋微生物更容易消化細(xì)顆粒殼質(zhì)。
研究人員對(duì)這個(gè)發(fā)現(xiàn)很感興趣，認(rèn)為能夠通過(guò)調(diào)整顆粒的尺寸大小，來(lái)控制細(xì)菌消耗殼質(zhì)的比率，進(jìn)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(shù)上來(lái)講，人類完全可以通過(guò)為細(xì)菌提供更多的食物來(lái)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(jī)物，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。在有機(jī)物的分解過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生電子流。利用一定的方法獲取這些電子流，將它導(dǎo)向外部電路，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)化。
利用這個(gè)原理，我們可以采取兩種方式。
一是保持微生物細(xì)胞的完整性，在介體的幫助下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。氧化態(tài)的小分子介體可以穿過(guò)細(xì)胞膜或酶的蛋白質(zhì)外殼到達(dá)反應(yīng)部位,接受電子之后的成為還原態(tài),然后擴(kuò)散到陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng). 以使用醇脫氫酶的甲醇燃料電池為例，在陽(yáng)極區(qū)進(jìn)行酶催化反應(yīng),原料甲醇脫氫氧化后產(chǎn)生的電子,先轉(zhuǎn)移到ＡＤＨ的活性中心,然后在介體(ＭＥＤ)的幫助下傳遞到陽(yáng)極,再通過(guò)外電路負(fù)載Ｌ到達(dá)陰極。反應(yīng)中產(chǎn)生的質(zhì)子(Ｈ+)穿過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入陰極區(qū),與氧一起在陰極上反應(yīng),接受來(lái)自外電路的電子,生成水。
另一種方式是破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)與有機(jī)物分解的酶，細(xì)胞器等暴露出來(lái)。酵母細(xì)胞破壞后仍然具有進(jìn)行糖酵解的能力。說(shuō)明細(xì)胞破壞后其生理活性在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)喪失。其反應(yīng)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(shì)。但是電池內(nèi)的微生物破裂后一段時(shí)間會(huì)失活，我們必須維持一定數(shù)量的完整微生物，同時(shí)保證一部分微生物的胞液在電池中。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們可以將溫和病毒中控制溶原裂解的基因轉(zhuǎn)入該微生物，讓它在一定時(shí)間后裂解，同時(shí)其他個(gè)體保持完整狀態(tài)，進(jìn)行繁殖。從而進(jìn)行可持續(xù)發(fā)電。
【2】 光合細(xì)菌電池。
??? 在條件惡劣，陽(yáng)光缺乏的深海區(qū)，能長(zhǎng)時(shí)間工作的光合細(xì)菌電池會(huì)給人帶來(lái)無(wú)窮的便利。
光合細(xì)菌有兩種，一種是好氧性的藍(lán)細(xì)菌，進(jìn)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(xì)菌，進(jìn)行非放養(yǎng)性光合作用。他們的反應(yīng)中心都是葉綠體。葉綠體在吸收光波后放出電子，這個(gè)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(shí)，產(chǎn)生一個(gè)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(dá)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(jìn)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(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，而在光合細(xì)菌電池中，化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。
生物膜電池
學(xué)過(guò)動(dòng)物學(xué)，我們都會(huì)對(duì)電遙攻擊天敵強(qiáng)大的電流嘆為觀止。這就是生物的膜電勢(shì)。
膜電勢(shì)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(dòng)趨勢(shì)。細(xì)胞膜的特殊結(jié)構(gòu)卻阻止其流動(dòng)。所以膜電勢(shì)形成的最終原因是特殊的離子運(yùn)輸?shù)鞍自斐傻碾x子濃度差。在微生物中，很多寄生個(gè)體（如引起梅毒的螺旋體）都有發(fā)達(dá)的表面蛋白控制物質(zhì)運(yùn)輸。在其基因組中有很多重復(fù)序列，有猜想認(rèn)為這些序列的部分重用導(dǎo)致了多種多樣的表面運(yùn)輸?shù)鞍?。我們可以考慮對(duì)其表面蛋白的基因進(jìn)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(zhuǎn)入能自主生活的個(gè)體（如酵母菌，藍(lán)細(xì)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(shì)能。另外許多同種細(xì)菌轉(zhuǎn)導(dǎo)可以使內(nèi)外離子濃度差變小或者使其逆轉(zhuǎn)的基因。這樣，這兩種不同的轉(zhuǎn)基因細(xì)菌的細(xì)胞膜外將存在電勢(shì)差。將這兩種細(xì)菌放在電解槽內(nèi)，再在細(xì)菌的混合液中加上一定的引導(dǎo)電場(chǎng)，使他們朝不同電極方向聚集，這樣兩極上聚集不同膜電勢(shì)的細(xì)菌，電池兩極有電壓，電池工作?；蛘弑晦D(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)菌選擇磁細(xì)菌，用磁場(chǎng)代替引導(dǎo)電場(chǎng)，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(gè)整體，所利用的只是生物整體的三個(gè)方面，同時(shí)，三者又有著密切的聯(lián)系。像膜電池如果運(yùn)用到光合細(xì)菌上，那么實(shí)際上利用的能量也只是光能轉(zhuǎn)化成的電能。
對(duì)于第一種生物燃料電池，麻省理工學(xué)院等一些世界知名研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出成品，然而對(duì)于后兩種更多的是我們對(duì)于微生物學(xué)習(xí)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(huì)吸引我們不斷的向它靠近。如光合細(xì)菌電池就有具有重大的意義。進(jìn)行非放氧光合作用的紫色和綠色光合細(xì)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(qū)動(dòng)的裝置可以在海底自己供能，長(zhǎng)時(shí)間的搜集資料。而放氧性光合細(xì)菌構(gòu)成的電池經(jīng)過(guò)進(jìn)一步發(fā)展有可能成為光利用率更搞的太陽(yáng)能電池。對(duì)于膜電池，如果該想法能付之于實(shí)踐，那么可以推廣到所有的生物（病毒等除外），因?yàn)閹缀踝笥业纳锒加兄?xì)胞膜。這樣，我們身邊會(huì)有著讓人難以想象的能量將被我們利用。
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