巴斯大学工程师提出微生物电池可能会对远程应用产生巨大影响

JAKUB DZIEGIELOWSKI / UNIVERSITY OF BATH

一粒土壤中可以包含宇宙般的微生物群，据估计数量可以多达100亿（https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Microbiology/Microbiomes_-_Health_and_the_Environment_(Parks)/04%3A_Environmental_Microbiomes/4.03%3A_Soil_Microbiomes#:~:text=One%20gram%20of%20soil%20can,of%20thousands%20of%20different%20species.）。现在，位于英国巴斯的一组研究人员正在开发原型机技术，以收集一些微生物物种呼出的电子。

这个想法是为了给低产出的传感器和开关供电，并可能帮助农民通过数字化优化作物产量，以应对日益增长的需求和越来越严格的种植条件。还有其他任务，可能会利用工厂和遗忘的低产量电源，比如监测运河中的非法垃圾倾倒。

这项研究工作起初规模不大，基于巴斯大学，在巴西一所小学教室和附近的绿色池塘进行田野测试——这发生在疫情爆发之前。

英国巴斯大学化学工程博士生Jakub Dziegielowski说：“我们不知道周围的环境会是什么样子。我们只是收拾好所需的设备就走了。而且那口池塘就在学校旁边——它确实被污染了，颜色非常绿，里面还有生物，我当然不会觉得能够舒适地饮水 —— 所以目的是达到了的。”

他们在2019年夏天与学校的孩子们和巴西研究人员一起进行的实验旨在运行水净化器 —— 它确实做到了。然而，与太阳能电池板相比，它的效率也不是很高。

那么，在巴斯的实验室里工作继续进行着：在未来的几周内，Dziegielowski将同时庆祝他的29岁生日和毕业典礼。他，以及两位其他的巴斯大学顾问和同事，最近成立了一家衍生公司——它被称为Bactery——专注于研发用于农业的土壤微生物燃料电池网络原型。

微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将储存在有机分子中的化学能转化为电能的发电厂。Dziegielowski说，它更常用于指基于液体的系统。废水中的有机物作为能源，液体流通过电极混合。

然而，土壤微生物燃料电池的一个电极——吸收电子的阳极——位于土壤中。另一个电极，阴极，暴露在空气中。电池工作是因为离子通过电极之间的电解质流动，从而形成电路。在这种情况下，土壤本身充当着电解质——同时也是催化微生物的来源，以及燃料的来源。

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充满瓦特的场

在巴西东北部半干旱海岸Icapuí渔村的一所小学里，该小组使用了基本部件：石墨毡作为电极，尼龙桩来保持它们之间的距离和对齐。（Bactery现在正在开发新种外壳。）

通过将电池设置在平行矩阵中（https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775321010892），Icapuí设置可以产生每平方米38毫瓦的功率（https://purehost.bath.ac.uk/ws/portalfiles/portal/211569145/revision_3_.pdf）。在此后的工作中，巴斯小组已经能够达到每平方米200毫瓦。

电活性细菌——也被称为外电子或电力微生物——能够摄取可溶性铁或酸或糖，并释放电子。有数十种微生物可以做这件事，包括属于Geobacter和Shewanella属的细菌。还有很多其他的（https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12934-019-1087-z）。

但是，每平方米200毫瓦并不是一个很大的能量：也许足以给手机充电，或者让LED夜灯继续亮着——或者，也许可以作为传感器或灌溉开关的电源。宾夕法尼亚州立大学环境工程师Bruce Logan在2007年写了一本书《微生物燃料电池》（Microbiological Fuel Cells，https://books.google.de/books?id=cXnc2wmrE9gC&printsec=frontcover&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false），他提到：“在很多事情上，这归根结底是经济问题。”

十年前，Palo Alto的工程师们推出了MudWatt，这是一个自给自足的套件，可以点亮小LED。它主要被用作学校科学项目。但即使现在，全球仍有大约7.6亿人无法可靠地获取电力（https://ourworldindata.org/energy-access）。印度泰米尔纳德邦中央电化学研究所的退休首席科学家Sheela Berchmans说：“在偏远地区，具有更高转化率和功率管理效率的土壤微生物燃料电池将比电池更好。”

比利时根特大学生物技术系教授Korneel Rabaey表示，电化学微电源（现在包括Bactery电池）在资源回收方面越来越受欢迎，用于从废水中提取污染物，并将电力作为副产品。“你可以想到许多不需要大量电力的应用，”他说，“但传感器很重要。”