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微生物燃料电池可以高效发电

2019/10/16 12:07:581556

这种生物膜或“泥”，涂在微生物燃料电池的碳电极上，也作为细菌的饲料，它们产生的电子传递到电极，就会产生电力。这种细菌通常见于地球上空30公里处，已证实可以高效发电。同温层芽孢杆菌（Bacillus stratosphericus ）这种微生物，通常呈现高浓度，见于地球平流层轨道的卫星中，这是一个重要菌种，可制成新的“超级”生物膜，设计者是一组科学家，来自英国纽卡斯尔大学（Newcastle University）。

微生物燃料电池可以把有机化合物直接转换成电能，这需要催化氧化。来源：纽卡斯尔大学。他们隔离出75种不同种类的细菌，这些细菌都来自英国康特里•达勒姆（Country Durham）威尔河口（Wear Estuary），研究小组测试了可以发电的每种细菌，测试使用的是微生物燃料电池（MFC：Microbial Fuel Cell）。他们选择最好的细菌品种，进行一种微生物的“挑选和混合”，这样，他们就能够创造出一种人造生物膜，可以双倍提高微生物燃料电池的电力输出，从每立方米105瓦提高到每立方米200瓦。虽然还比较低，但是，这也可提供足够电力，可以使用电灯，而且可以提供急需的电源，用于世界上没有通电的地方。在这些超级细菌中，有同温层芽孢杆菌，这种微生物通常见于大气层，但也会落到地面，这是因为大气循环过程，这种微生物研究人员也分离出来了，是来自威尔河（River Wear）河床。他们的研究成果2月21日已发表，就在美国化学学会（American Chemical Society）《环境科学与技术杂志》（Journal of Environmental Science and Technology）上，题为《提高电力生产采用重组人工菌团河口细菌培育为生物膜》（Enhanced Electricity Production by Use of Reconstituted Artificial Consortia of Estuarine Bacteria Grown as Biofilms）。格兰特•伯吉斯（Grant Burgess）是纽卡斯尔大学海洋生物技术教授，他说，研究表明了“这种技术的潜在力量”。“我们所做的，就是精心操纵微生物组合，设计制成一种生物膜，可以更高效地发电，”他说。“这是第一次，个别微生物的研究和选择采用了这种方式。找到同温层芽孢杆菌是令人惊喜的，但它表明的是这种有前途的技术的未来，有数十亿微生物都有可能发电。”利用微生物发电并不是新概念，而且已用于废水处理和污水处理厂。微生物燃料电池运行方式类似电池，就是使用细菌，把有机化合物直接转换成电能，采用的工艺称为生物催化氧化。这种生物膜或“泥”，涂在微生物燃料电池的碳电极上，也作为细菌的饲料，它们产生的电子传递到电极，就会产生电力。到现在为止，这种生物膜一直在生长，没有受到抑制，但是，这项新研究首次表明，操纵这种生物膜，就可以显着提高燃料电池的电力输出。资金来自工程和物理科学研究理事会（EPSRC：Engineering and Physical Sciences Research Counci），生物技术和生物科学研究理事会（BBSRC：Biotechnology and Biological Sciences Research Council）和自然环境研究理事会（NERC：Natural Environment Research Council），这项研究确认了大量可发电的细菌。与同温层芽孢杆菌一样，另一种发电细菌也在这种混合物中，就是高层芽孢杆菌（Bacillus altitudinis），这种细菌来自上层大气，也是拟杆菌门（phylum Bacteroidetes）家族的新成员。他们的论文中说，微生物燃料电池可以把有机化合物直接转换成电能，这需要催化氧化，微生物燃料电池虽然引发了相当大的兴趣，但是，很少有信息讨论具有发电潜力的人工细菌生物膜。我们采用醋酸盐（acetate）培育的物微生物燃料电池，沉积植入，带有双容器瓶和碳布电极，产生的最大输出功率为175毫瓦/M2，稳定输出功率为105毫瓦/M2。电力生产需要把电子直接转移到阳极，电子产生于菌团，这些菌团生长在阳极上，这已经被证实，使用的是循环伏安法（CV：cyclic voltammetry）和扫描电子显微镜（SEM）。有20个不同种类的细菌（74种菌株）被分离出来，都源自菌团，这些菌团生长在厌氧条件下，培育是在实验室进行，其中发现，有34％是产电菌群（exoelectrogens），属于单一菌种研究。具有产电性能的菌属，有弧菌属（genera Vibrio）、肠杆菌（Enterobacter）、枸橼酸杆菌（Citrobacter）以及同温层芽孢杆菌，这已经证实，采用的是培养基方法，这还是第一次。微生物燃料电池具有天然菌团，表现出更高的功率密度，胜过单一菌株。此外，最大输出功率可进一步增加至200毫瓦/M2，只需要使用一种人造菌团，这种菌团包含最好的25种分离产电菌群，这表明，有可能提高性能，说明这种人工生物膜的重要性，可以提高输出功率。