细菌能发电？顺便还能治理污水！

出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览

提到发电方式，多数人可能会想到火力、水力、风力、太阳能、核能等途径。然而，微生物发电这一较为冷门的领域却拥有近百年的研究历史。你可能会好奇，哪些微生物具有发电的能力？这些微生物又是如何实现电能生成的？

微生物细菌

（图片来源：veer图库）

微生物的发电机制

在探讨这个话题之前，我们首先要了解发电的本质——能量转换。

举个例子，火力发电是通过燃烧煤炭，将其化学能量转化为电能。在生物体内，三磷酸腺苷（ATP）则被认为是一种“通用能量货币”。一个葡萄糖分子在生物体内完全氧化后可以产生多达32个ATP分子。ATP被分解，不仅会释放能量供生物体使用，还会伴随电子转移。

这里就引出了微生物发电的核心机制：胞外电子转移（Extracellular Electron Transfer，简称EET）。在某些特定微生物（如希瓦氏菌（Shewanella）和地杆菌（Geobacter）等）中，ATP的能量释放不仅局限于细胞内。

通过细胞膜上特定的导电蛋白，这些微生物能够将电子传递到细胞外，从而形成电流。这一过程不仅实现了能量的高效利用，还为微生物发电提供了一种自然而独特的途径。

微生物发电早已不是最新发现

早在1911年，英国生物学家Michael Potter便已经发现，在含有酿酒酵母或特定细菌的培养液中使用铂作为电极，有机物的分解过程可以生成电流。基于这一原理，科学家们一直在探究如何将微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFC）应用于人类社会。

微生物燃料电池概念图

（图片来源：加州大学洛杉矶分校）

MFC的工作原理是相当直接的：在阳极，燃料（如营养物质）通过微生物代谢被氧化，释放出的电子和质子则分别通过不同途径到达阴极。电子通过电子传递介质在阴极和阳极之间进行传递，并通过外部电路形成电流。与此同时，质子则通过质子交换膜（Proton Exchange Membrane）到达阴极，在那里与氧气结合生成水。

虽然MFC在能量转换效率上仍有待提高，但经过一个多世纪的研究和发展，这种技术已逐渐走入公众视野。有科学家甚至预测，未来MFC技术有潜力被用于制造如手机电池这样的日常用品。

然而，需要注意的是，由于目前使用的质子交换膜和贵金属电极等原料成本相对较高，MFC大多还处于实验室研究阶段，距离大规模商业应用尚需时日。

天然发电细菌

在生物发电领域，希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）MR-1堪称一名“明星”细菌。该细菌最初在Oneida湖中被分离出来，并因其独特的锰还原（Manganese Reducing，简称MR）能力而得名。

希瓦氏菌的表面

（图片来源：《科学》杂志）

在进行锰还原的过程中，希瓦氏菌通过细胞膜上的特殊导电蛋白生成电流，从而获取所需的能量。值得注意的是，该细菌能够在高浓度重金属的厌氧环境中生存，研究还表明它具有将汞离子还原为汞单质，以及将银离子还原为银单质的能力。

那么，希瓦氏菌MR-1为何具有天然的导电特性呢？

科学家将具有自发进化胞外电子转移（Extracellular Electron Transfer，简称EET）途径的微生物称作外产电菌。其中，最受研究者们关注的EET途径便是希瓦氏菌MR-1的金属还原（Metal-reducing，简称Mtr）途径。

在这一途径中，电子通过细胞膜和周质空间内的特殊细胞色素进行传递，这些细胞色素上堆叠着密集的血红素分子。

然而，尽管这些外产电菌在将底物转化为电能的过程中展现出较高的效率，它们对底物（即食物）特别挑剔，适应性相对较差。

此外，由于缺乏有效的遗传操作工具，进行基因改造以提高其应用范围和效率变得相对困难。这些因素在一定程度上限制了包括希瓦氏菌MR-1在内的外产电菌的广泛应用。

希瓦氏菌MR-1的电子传递

（图片来源：参考文献[5]）

基因改造大肠杆菌发电

面对天然产电菌在食物选择上的挑剔性质以及基因改造的困难，科学家们开始探究：能否使用更易于改造的细菌来实现发电呢？答案引人注目地是肯定的。

大肠杆菌，作为生物研究中最常见的模型细菌，具备丰富的遗传操作工具，且对食物源并无特别选择性，因此成为了这一改造项目的理想候选者。

大肠杆菌

（图片来源：veer图库）

瑞士的Ardemis A. Boghossian教授利用希瓦氏菌MR-1的Mtr电子传递途径为模板，在大肠杆菌中构建了类似的机制。

具体而言，该团队对大肠杆菌进行改造，这些改造让大肠杆菌不仅能产生电流，而且该电流能够持续超过三天，有效证明了基因改造大肠杆菌具备发电能力。

值得一提的是，尽管其发电效率仅为希瓦氏菌MR-1的1/50，但大肠杆菌在食物选择上的不挑剔却赋予了它特定的优势。例如，这种改造过的大肠杆菌能在啤酒厂的废水中生长，而天然的希瓦氏菌MR-1则做不到这一点。这一发现意味着改造后的大肠杆菌不仅具备发电能力，还可用于废水处理，实现“一石二鸟”的效果。

细菌发电的用途有哪些？

细菌发电作为一个具有多方面应用潜力的技术，主要可用于微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFC）的构建。MFC有几个显著的应用领域，包括但不限于发电产能、污水处理、生物感应和生物回收。

发电产能：微生物燃料电池特别适用于电量需求较小和电池更换困难的场景，如无线传感器网络。更值得注意的是，MFC有可能非常微型化，在某些应用中，其电极厚度仅为7μm，长度为2cm，从而能替代传统电池。这为提供一种持久且可再生的电源打开了新的可能。

污水处理：现有的污水处理技术大多电能消耗巨大。细菌发电的商业化应用有望改变这一状况。例如，生活污水也可用作细菌发电的能量源，通过细菌在厌氧条件下分解有机物来产生能量，并以此驱动电生成。

污水处理装置

（图片来源：veer图库）

生物感应：MFC产生的电流与污水中可溶性有机物含量成正比，因此，它可用作测定污水中有机物含量的工具。一种基于MFC的生化需氧量（BOD）感应器已被研发出来。它能准确测量BOD水平，并已实现商业化。

生物回收：在细菌发电过程中，产生的电子有助于还原废水中的重金属离子。这一特性使其成为一种有效的重金属回收方法。比如，已有研究设计了能够将废水中的铜离子还原为金属铜的发电装置，从而实现铜的回收再利用。

结语

细菌发电不仅历史悠久，而且应用广泛。它可以解决发电产能和污水处理问题，同时还具有生物感应和生物回收的潜力。

针对天然产电菌对环境条件较为挑剔的问题，科学家们已经开始转向使用更为灵活的大肠杆菌作为生物发电的替代方案，并已取得令人瞩目的进展。随着科技的不断发展，细菌发电有望越来越广泛地应用于我们的日常生活中。

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