微生物发电能否“俘获”市场？
文|35斗
2015年12月，中新社西宁发表了《中国最后3.98万无电人口通电》一文，这篇文章的发布意味着我国彻底解决了无电人口的用电问题。
然而，由国际能源署（IEA）、国际机构（IRENA）、联合国统计司（UNSD）、世界银行和世界卫生组织（WHO）共同编制的全球能源进展系列报告中指出——到2030年，全球用电人口预计为92%，仍有6.5亿人无法获得电力供应。作为现代社会的基本特征，我们每天都习以为常使用着的电力，对于部分国家和人民来说却是可望不可即的“奢侈品”。如何发电？电力能源能否再有新材料供给？这些都是摆在人们面前的种种难题。
从传统化石能源到生物燃料，再到如今大力提倡的新能源发电，发电所用的原料也处于不断地革新与演变的过程中。如今，科学家们将目光转向了地球上丰富的植物和微生物资源，如果它们能够大量地产生电力，到2050年前后，全球基本可以向之前不通电的生活说“拜拜”。
微生物发电的历史可以追溯到1910年，英国植物学家马克·皮特发现：有几种细菌的培养液能够产生电流，于是他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液里，第一个细菌电池就这样在他手中“出生”了。
1984年，一种能在外太空使用的微生物电池在美国诞生，其燃料为活细菌以及宇航员的尿液；1991年，微生物燃料电池被应用于处理生活污水；2012年，美国宇航局计划用细菌为行星探索机器人供能；2016年，Silvan Scheller等人发现依靠厌氧甲烷氧化菌能有望氧化甲烷，并转化为电能。随后，Thomas K.Wood等人在前人的基础上，合成了能在实验室培养的人造甲烷氧化细菌，实现了利用甲烷发电……百余年来，众多学者奔赴在微生物发电这一赛场上，为解决人们无电用、用电难的问题贡献力量，也为人们带来了一项项震撼的发明，MFC就是其取得的成果之一。
MFC（microbial fuel cell，微生物燃料电池的简称）是将产电微生物生命代谢过程中产生的电子收集起来并利用的装置，其发电的基本原理也并不复杂。在MFC中，聚集在阳极的微生物在一定条件下能够降解有机物，并产生氢质子和电子，氢质子和电子“跑”到阴极后，与表面的电子受体发生氧化还原反应，随后，其就完成了MFC产电及电子利用的“使命”。这其间，MFC产生的电子在阴极发生的一系列反应，能够“附送”降解水体中的硫酸盐、硝酸盐等物质，这一“附加产物”使人们看到了其在污水处理上表现出的潜力，也使其成为了新型生物污废水处理技术的一种。
历经了一个多世纪的发展，微生物发电以及MFC开始逐渐受到世界上各个国家和地区的重视，科学家们表示，这种技术还可用来生产手机电池。对广大科研人员及企业而言，这其中的“宝藏”也值得他们好好挖掘一番。
2021年11月出版的微生物燃料电池的全球市场（2022年～2026年）市场调查报告书显示：2021年～2025年间，在全球范围内，微生物燃料电池的市场规模将以9.65％的年复合增长率增长，将达到773万美元以上。该市场规模不断扩大的原因主要来自于饮用水、废水处理的需求，以及能源需求的不断增加等。
社会在进步，人口数量在增长，而短缺的能源和“不堪重负”的自然环境压力越发成为了世界上各国和地区发展的掣肘。这时，微生物燃料电池应运而生，有望为解决上述问题提供助力。就目前得到部分应用的新型生物污废水处理技术来说，其能够在污水处理的同时实现电能的转化和回收，MFC具有的能量转换效率高、原料来源广泛等优势也受到了人们的青睐。同时，MFC还在污泥处理、生物修复、海水淡化等多个领域有着巨大的前景和发展空间。
瑕不掩瑜，微生物燃料电池有着众多的优点，但我们仍不能忽视其当前的不足之处，其“暇”处不仅不能忽视，也是今后应该大力突破的重、难点。在实际使用过程中，质子交换膜、贵金属电极等的使用拉高了MFC的制造成本，目前还大多处于实验室阶段，距离真正实现“走出去”、工业化、大规模应用仍有一段距离。
MFC产电微生物的产力偏低也是需要面对的难题，当前，MFC处理污水的应用技术仍处于攻坚期，其反应器规模、放大问题也是其无法大规模应用的瓶颈，也是导致MFC效率不高的原因之一，其性能问题亟待解决。因此，该应用和技术仍有进步和优化的空间。
敢于正视问题，才能持续前进。针对上述难题，全球各国和地区，都在这一赛道上继续耕耘，并渐渐的开始埋头“解题”，以期在实践中找到问题的“正确答案”，功夫不负有心人，在众多科研人员的努力和汗水中，针对MFC供电能力不强的问题又向前迈进了一步。35斗统计了部分关于MFC的研究成果和相关进展。
图：关于MFC的研究成果和相关进展，数据来源：据公开资料收集
上述研究成果已经让我们看到了解决MFC效率不高问题的曙光，对于成本和技术问题，产业融合似乎是一条可行之道，多方的共同参与能拓宽研究的方向和道路，还能在思想的交流中碰撞中新的解决方案。在污、废水拥有差异化理化特性的前提下，与其他污废水处理工艺的连结、耦合使用能够形成不同污水处理工艺的优势互补，有利于MFC的进一步推广和使用。这样做不仅能够提升MFC的产电能力，还降低处理过程中的污泥量，创造一笔可观的收益，这也为污水厂的提档升级提供了新方法。
业内专家表示，未来，要想让细菌发电技术摆脱在实验室中“不见天日”的处境，还需要不同领域科学家的共同努力，不同领域的科学家都能为微生物燃料电池贡献自己的一臂之力。例如，拥有生物学背景的科研人员可以从微生物角度入手，以基因改造为工具，提高细菌的产电活性、找出更多类型的产电细菌；工程材料的专家，则能以电极材料为切入口，钻研何种材料才能能够产生更大的功率……
概而述之，MFC作为并不“新鲜”的一项技术发明，自诞生以来在人们的努力下正在实现提档升级，待将来其身上所存在的众多难点被解决之后，定能在属于它的领域“大展拳脚”，我们也期待它的大规模使用及推广。
除开MFC，科学家们也在自然界的其他生物中寻找微生物发电的材料和“奥秘”，35斗统计了近年来部分有关微生物发电的成果。
图：近年来部分有关微生物发电的成果，数据来源：据公开资料收集
上述表格中，希瓦氏菌的发电能力格外受到了人们的关注。于1988年被分离出来的希瓦氏菌，其细胞中的带电蛋白质，能够让研究人员更好的利用其进行发电，一种名叫“DSFO+”的合成分子被科研人员应用到了其细胞膜上，因为带铁的特性，所以希瓦氏菌仍然可以拥有发电的能力。
加州大学圣巴拉拉分校的研究团队2017年发表在《化学》期刊上的文章表明：DSFO+能催化跨膜电子转移，提高代谢效率，且在无毒条件下，其还能增强细菌电流产生的能力。
2021年，《Science》上发表了银纳米粒子提高希瓦氏菌微生物燃料电池的电荷提取效率一文，使得微生物燃料电池在美国加州大学洛杉矶分校的研究人员手中又进一步取得了进展，这也是天然细菌在发电领域方面迈出的一大步。
除了利用微生物、植物发电，世界上众多国家和地区也在加快探索其他的发电方式，以期抢夺该领域的高地。我国也在发电这一赛道积极耕耘，《科技部关于发布国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”“发育编程及其代谢调节”“合成生物学”重点专项2018年度项目申报指南的通知》就将电能细胞设计与构建列为重点研究项目。这一项目的实施，不仅是事关国计民生的重大社会公益性研究，对提高我国产业核心竞争力、创新能力等方面也有重要意义。
总的来说，不论是微生物发电还是电能细胞的的设计，其都是对当前能源短缺的重要尝试，未来，以“科技”为画笔，更多的发电新材料也会被画在名为“发展”的蓝图上被展现出来，届时，全球那未享受过科技之“光”的6.5亿人也会看到电灯的那一束光亮。
参考资料：
1.《全球无电人口仍有8.4亿：印度老大难，独占9900万》
2.《微生物燃料电池污废水处理技术》
3.《微生物燃料电池的历史与应用前景》
4.《研究人员通过化学方式改造希瓦氏菌：显著提升其“发电”能力》
5.《基于二茂铁的共轭低聚电解质催化细菌电极呼吸》
