明日之花，微生物燃料电池

2016年，编者参加了本科毕业十五周年聚会。当天夜晚，同已是老总级别的深圳金同学卧谈，发现他属于亚健康人群，发型都成“地中海”式了，略有慨叹。他原先在国内一家知名车企从事销售工作，现调整方向搞起了电池研发，难道电池研发竟艰难如此？

实际上，他所任职的这家公司就是从电池研发起家的，他们的大Boss最初的梦想就是要制造电动汽车。而且，在国内新能源产业政策的鼓励和推动下，公司已经攫取到了第一桶金，并在我国南部的电动汽车市场上占据了较大的份额。

然而，其在镍氢电池和镍镉电池研究方面所获突破性进展仍显有限，并且由于镍镉易致污染，以及各自存在记忆效应（因使用而令电池内容物发生结晶），已日渐式微，几乎不具备盈利能力。后来发展起来的磷酸铁锂电池，也因知识产权受限，未能取得实质性突破。

这些都令该公司的电池研发进退维谷，相关人员承受了巨大的精神压力。与此同时，除了遭遇自身技术瓶颈之外，其研发还受到了“生物燃料电池”这一概念的强烈冲击。

众所周知，能源是人类赖以生存和发展的重要资源。然而，随着世界经济的飞速发展，能源供需矛盾日益突出。

2016年3月，在由国家能源局指导、中国电力企业联合会主办的中国清洁能源“十二五”总结与“十三五”展望专题活动暨第八届中国国际清洁能源博览会上，在总结和回顾“十二五”期间我国发展清洁能源所获斐然成绩的同时，明确了“十三五”期间为应对全球气候变化，保持能源消费的适度增长，大力推进能源结构调整，加快转变能源发展方式等工作目标。

其中，发展和推广新型清洁能源被视作推动国民经济快速增长的关键因子，而加快、加大微生物燃料电池的开发和商业化利用等也被提上了议事日程。

那么，何谓生物燃料电池？生物燃料电池是一种利用生物催化剂直接将化学能转化为电能的燃料电池，其具有反应条件温和、来料广泛、可再生，以及生物相容性好等优点。

在多种清洁能源之中，生物燃料电池应用前景被广为看好，是当前的热点研究技术之一。根据催化方式的异同，可将其分作微生物燃料电池（Microbial fuel cell）和酶生物燃料电池。

微生物燃料电池工作原理示意图

微生物燃料电池的工作原理为：在阳极室厌氧条件下，有机物被微生物分解，释放出电子和质子，电子通过传递介质在生物组分与阳极间传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子则通过质子交换膜传递至阴极，氧化剂（多为氧气）在阴极获得电子后被还原。

诸如假单胞菌和希瓦氏菌（拉丁学名：Shewanella）等都是已知的具备产电能力的微生物，而在实际应用中也多以不同种属的混合菌群为主，应用单一纯菌的情况较少。

希瓦氏菌

自20世纪英国植物学家波特（Michael Cresse Potter）发现并报道酵母菌和大肠杆菌在培养过程中可产微电流这一现象开始（世界上第一个微生物燃料电池也出自其手），生物燃料电池研究之门便被人们叩开。

Michael Cresse Potter

到了20世纪中叶，随着航天领域研究的快速发展，科研人员对微生物燃料电池的研究兴致更为高涨。之所以会出现这种情况，是因为相关技术很有希望被用于处理太空飞行时所产生的生活垃圾，并获得一定的电能。

我国相关研究起步较晚，始于20世纪90年代初期。但在国家给予优先发展地位和充分保障的大力扶持下，相关成果日渐涌现，实现了长足进步。微生物燃料电池作为微生物技术与电池技术相融合的产物，开发前景良好。

目前，已有不少性状优异的微生物菌株为人们所发现和利用。另外，微生物燃料电池除了可作新型替代性能源之外，还被发现可用作生物传感器和水处理之用。可以说，其研发对于缓解能源危机和环境污染等均具有重要意义。

目前，在微生物燃料电池研发过程中暴露出的问题主要有以下几个：①微生物与电极间的电子传递效率低下，产电性能较弱；②菌种驯化（通过人工措施使微生物逐步适应，其本质为微生物的定向选育）时间较长；③高效复合菌群的培育与应用；④自身结构的不完善和材料的待改进；⑤其他。

受这些问题所累，微生物燃料电池技术目前多还停滞于实验室小试阶段。然而，作为颇具潜力的新能源技术之一，其前景是光明的。虽未盛开于当下，想必离其芬芳吐艳之时已是不远，耐心等待便是。

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