植物微生物燃料電池的工作原理

　　如果植物微生物燃料電池流行起來，像這樣的水稻植物可能意味著能量和食物。想了解更多?看看這些 替代燃料汽車圖片.

　　知識(shí)共享/綠生 (在 CC BY 2.0 許可證下)直接或間接地，地球上幾乎所有的生命都是太陽能供電的。

　　植物將陽光轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物，當(dāng)被其他生命消耗時(shí)，將太陽的能量傳遞給食物網(wǎng)的其余部分。作為人類，我們通過消化和燃燒生的或加工的植物來獲取這些儲(chǔ)存的能量。石油只是地質(zhì)力量轉(zhuǎn)化而早已死亡的有機(jī)物，第一代 生物燃料 由玉米、甘蔗和植物油軋制而成[來源： 《紐約時(shí)報(bào)》].

　　不幸的是，石油和能源一樣充滿了環(huán)境和安全問題，第一代生物燃料 - 通過燃燒其他燃料精煉 - 遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到碳中和。更糟糕的是，隨著全球糧食作物在生物燃料生產(chǎn)中失去優(yōu)勢(shì)，日益嚴(yán)重的稀缺推高了糧食價(jià)格、饑餓和政治不穩(wěn)定[來源： 《紐約時(shí)報(bào)》].

　　但是，如果有一種方法可以讓我們的大米也燃燒呢?如果我們可以從作物中獲取能量而不殺死它們，或者利用不需要食物的植物和土地發(fā)電，所有這些都是通過微生物的力量呢?這就是背后的想法 植物微生物燃料電池 (PMFC).

　　當(dāng)談到讓生命發(fā)揮作用時(shí)，植物可能會(huì)得到所有的好報(bào)道，但正是備受詬病的微生物將食物鏈維系在一起。具體來說，藍(lán)藻有助于形成其基礎(chǔ);腸道微生物幫助我們消化其中的食物;土壤細(xì)菌將產(chǎn)生的廢物轉(zhuǎn)化為植物可以利用的營養(yǎng)物質(zhì)。

　　幾十年來，研究人員一直在尋找從這種微生物代謝中汲取能量的可能方法。到1970年代，他們的努力開始以 微生物燃料電池 (MFC) - 直接從微生物催化的化學(xué)反應(yīng)中發(fā)電的設(shè)備[來源：Rabaey and Verstraete]。MFC 提供可再生的低功耗選項(xiàng)，用于監(jiān)測污染物、清潔和淡化水以及為遠(yuǎn)程傳感器和儀器供電。

　　當(dāng)然，有一個(gè)問題：MFC只有在有東西可以啃噬的情況下才能發(fā)揮作用 - 通常是廢水中的有機(jī)物質(zhì)[來源： 鄧、陳、趙; ONR].研究人員意識(shí)到，他們可以將廢物 - 無休止的太陽能自助餐 - 直接輸送到植物本身的土壤微生物中，并且種下了一個(gè)想法的種子。

　　到2008年，研究人員發(fā)表了論文，宣布了第一批這些植物動(dòng)力MFC，其潛力變得越來越明顯[來源： 鄧、陳、趙; 德尚菲萊爾等.; 斯特里克等.].利用這種可擴(kuò)展的技術(shù)，發(fā)展中國家的村莊和農(nóng)場可以自給自足，而工業(yè)化國家可以減少他們的 溫室足跡 通過從濕地、溫室或生物精煉廠獲取電力[來源： 多蒂;植物動(dòng)力]。

　　簡而言之，PMFC是“發(fā)電廠”的更新，更環(huán)保的旋轉(zhuǎn) - 也許。

　　沒有比壤土更像土的地方了

　　事實(shí)證明，土壤充滿了未開發(fā)的(電)潛力。

　　隨著綠色植物的開展 光合作用 -- 將陽光中的能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后將其儲(chǔ)存在葡萄糖等糖中 -- 它們通過根部將廢物排放到稱為 根際.在那里，細(xì)菌吞噬植物脫落的細(xì)胞，以及根部釋放的蛋白質(zhì)和糖分[來源： 英厄姆].

　　在PMFC術(shù)語中，這意味著，只要植物存活，細(xì)菌就有飯票，燃料電池就會(huì)發(fā)電。熱力學(xué)第一定律，有人翻譯為“沒有免費(fèi)的午餐”，仍然適用，因?yàn)橄到y(tǒng)從外部來源(即太陽)接收能量。

　　但是，在地球上或地球之下，微生物是如何產(chǎn)生的。 電力 僅僅通過消費(fèi)和代謝食物?就像愛情或烘焙一樣，這一切都?xì)w結(jié)為化學(xué)。

　　從廣義上講，MFC的工作原理是將電生化過程(新陳代謝)的兩半分開并將它們連接在一起形成電路。為了理解如何，讓我們?cè)敿?xì)看看細(xì)胞代謝。

　　在下面的教科書示例中，葡萄糖和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和水[來源：Bennetto;拉拜和弗斯特拉特]。

　　C6H12或6 + 602 → 6CO2 + 6H2或

　　但是在單個(gè)細(xì)胞或細(xì)菌等單細(xì)胞生物中，這種廣泛的陳述掩蓋了一系列中間步驟。其中一些步驟會(huì)暫時(shí)釋放電子，眾所周知，這些電子對(duì)于發(fā)電很方便。因此，這里不是葡萄糖和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和水，而是葡萄糖和水產(chǎn)生二氧化碳，質(zhì)子(帶正電荷的氫離子(H+)) 和電子 (E-[資料來源：貝內(nèi)托;拉拜和弗斯特拉特]。

　　C6H12或6 + 6H26CO →2 + 24H+ + 24E-

　　在PMFC中，這一半的過程定義了燃料電池的一半。這部分位于根際，有植物根部、廢物和細(xì)菌。細(xì)胞的另一半位于可滲透膜另一側(cè)的富氧水中。在自然環(huán)境中，這種膜是由土壤 - 水邊界形成的[來源：貝內(nèi)托;拉拜和維斯特拉特; 鄧、陳、趙].

　　在細(xì)胞的后半部分，自由質(zhì)子和電子與氧氣結(jié)合產(chǎn)生水，如下所示：

　　第6名2 + 24H+ + 24E- → 12H2或

　　質(zhì)子通過流過離子交換膜到達(dá)后半部分，產(chǎn)生凈正電荷 - 以及誘導(dǎo)電子沿著外部連接線流動(dòng)的電勢(shì)。瞧!電流[來源：貝內(nèi)托;拉拜和維斯特拉特; 鄧、陳、趙].

　　但是多少錢呢?

　　根除潛在問題

　　確定PMFC對(duì)環(huán)境的影響將需要對(duì)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步研究，包括電極如何影響根部環(huán)境。例如，它們可能會(huì)降低養(yǎng)分的可用性，或降低植物抵抗感染的能力[來源： 鄧、陳、趙].

　　此外，由于PMFC在我們一些最受保護(hù)的土地 - 濕地和農(nóng)田 - 中效果最好，因此可能面臨嚴(yán)峻的環(huán)境審批程序。另一方面，廢水MFC可以氧化銨并減少硝酸鹽，因此植物基MFCs可以通過保護(hù)濕地免受農(nóng)業(yè)徑流的影響來平衡風(fēng)險(xiǎn)[來源： 鄧、陳、趙; 磨坊主; 粗花呢].

　　PMFC：都是濕的，還是在他們的領(lǐng)域表現(xiàn)突出?

　　截至2012年，PMFC不產(chǎn)生太多能量，僅在水生環(huán)境中工作，像蘆葦甘露草(最大甘油)、水稻、普通草(斯巴達(dá)安格利亞)和巨型蘆葦(阿倫多·多納克斯[資料來源： 鄧、陳、趙;植物動(dòng)力]。如果你遇到一片PMFC的田野，比如瓦赫寧根荷蘭生態(tài)研究所的屋頂補(bǔ)丁，你永遠(yuǎn)不會(huì)知道它只不過是植物的集合，除了從土壤中拖出的五顏六色的電線[來源： 威廉姆斯].

　　盡管如此，它們?cè)诮鉀Q其他全球可持續(xù)性問題方面的潛在應(yīng)用，包括 生物燃料 在已經(jīng)不堪重負(fù)的全球糧食供應(yīng)系統(tǒng)中，繼續(xù)激勵(lì)研究人員和至少一項(xiàng)探索性冒險(xiǎn)，即耗資 523 萬歐元的項(xiàng)目 PlantPower [來源： 鄧、陳、趙;植物動(dòng)力; 特南鮑姆].

　　由于PMFC已經(jīng)在水生植物上工作，農(nóng)民和村莊不需要為了實(shí)施它們而傾倒他們的水稻作物。在更大范圍內(nèi)，社區(qū)可以在濕地或土壤質(zhì)量差的地區(qū)建立PMFC，避免能源和糧食生產(chǎn)之間的土地競爭[來源： 斯特里克等.].像溫室這樣的人造環(huán)境可以全年生產(chǎn)能源，但農(nóng)田發(fā)電量將取決于生長季節(jié)[來源：PlantPower]。

　　在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)更多的能源可以通過減少對(duì)燃料運(yùn)輸?shù)男枨髞斫档吞寂欧?- 這本身就是主要的溫室氣體貢獻(xiàn)者。但有一個(gè)問題，而且非常重要：即使PMFC變得盡可能高效，它們?nèi)匀幻媾R瓶頸 - 植物本身的光合作用效率和廢物產(chǎn)生。

　　植物在將太陽能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)方面效率低得驚人。這種轉(zhuǎn)換限制部分源于影響光合作用的量子因素，部分源于葉綠體僅吸收400-700納米波段的光，這約占入射太陽輻射的45%[來源： 宮本].

　　地球上兩種最普遍的光合作用植物被稱為C3和C4，之所以如此命名，是因?yàn)樗鼈冊(cè)贑O期間形成的第一個(gè)分子中的碳原子數(shù)量2 細(xì)分[資料來源：西格倫、考瑟和羅密歐;SERC]。占地球上植物(包括樹木)95%的C3植物的理論轉(zhuǎn)換極限僅為4.6%，而甘蔗和玉米等C4植物則攀升至接近6%。然而，在實(shí)踐中，這些植物類型中的每一種通常只能達(dá)到這些值的70%[來源： 鄧、陳、趙; 宮本;SERC]。

　　與任何機(jī)器一樣，使用PMFC在運(yùn)行工作時(shí)會(huì)損失一些能量 - 或者在這種情況下，在種植工廠時(shí)會(huì)損失一些能量。在光合作用構(gòu)建的生物質(zhì)中，只有20%到達(dá)根際，其中只有30%可供微生物作為食物使用[來源： 鄧、陳、趙].

　　PMFC從產(chǎn)生的微生物代謝中回收約9%的能量作為電能?？偟膩碚f，這相當(dāng)于C3工廠的PMFC太陽能到電力轉(zhuǎn)換率接近0.017%((4.6%轉(zhuǎn)化率的70%)x 20%x 30%x 9%)和C4工廠的0.022%(0.70 x 6.0 x 0.20 x 0.30 x 0.09)[來源： 鄧、陳、趙; 宮本;SERC]。

　　事實(shí)上，一些研究人員認(rèn)為這些假設(shè)可能低估了PMFC的潛力，這對(duì)消費(fèi)者來說只能是好消息。

　　這是水力的

　　截至2012年11月，對(duì)燃料電池的興趣持續(xù)激增，燃料電池使汽車能夠比單獨(dú)的電池供電行駛更多的里程，并且更容易在大型車輛中實(shí)現(xiàn)[來源： 高].但是，雖然氫燃料可能看起來很環(huán)保，但它的生產(chǎn)需要大量的電力，這使得它不是碳中和的[來源： 伍斯特].自然產(chǎn)生氫氣的PMFC可以為真正的綠色氫燃料生產(chǎn)帶來希望。

　　從石油到犁頭

　　您正在研究兩種不同的PMFC設(shè)計(jì)，它們都放置在荷蘭瓦赫寧根的屋頂上。

　　圖片由MARJOLEIN HELDER提供/植物-E與任何新技術(shù)一樣，PMFC面臨許多挑戰(zhàn);例如，他們需要一種同時(shí)有利于植物生長和能量轉(zhuǎn)移的基質(zhì) - 這兩個(gè)目標(biāo)有時(shí)是矛盾的。例如，兩半細(xì)胞之間的pH值差異會(huì)導(dǎo)致電勢(shì)損失，因?yàn)殡x子在膜上“短”以實(shí)現(xiàn)化學(xué)平衡[來源： 赫爾德等.].

　　不過，如果工程師能夠解決問題，PMFC可以同時(shí)擁有巨大而多樣的潛力。這一切都?xì)w結(jié)為它們能產(chǎn)生多少能量。根據(jù)2008年的估計(jì)，這個(gè)神奇的數(shù)字每年約為每公頃(2.5英畝)21千兆焦耳(5，800千瓦時(shí))[來源： 斯特里克等人]。 最近的研究估計(jì)，這個(gè)數(shù)字可能高達(dá)每公頃1000千兆焦耳[來源：Strik等人]。更多事實(shí)透視[來源： 英國石油公司; 歐盟委員會(huì)]:

　　一桶油含有大約 6 千兆焦耳的化學(xué)能。

　　歐洲有1370萬農(nóng)民，每個(gè)農(nóng)場平均占地12公頃(29.6英畝)。

　　相比之下，美國有200萬農(nóng)民，平均每人180公頃(444.6英畝)。

　　根據(jù)這些數(shù)字，如果美國和歐洲1%的農(nóng)田被轉(zhuǎn)換為PMFC，那么歐洲每年將產(chǎn)生3450萬千兆焦耳(95.8億千瓦時(shí))的粗略估計(jì)，美國每年將產(chǎn)生7560萬千兆焦耳(209億千瓦時(shí))的粗略估計(jì)。

　　相比之下，2010年27個(gè)歐盟國家的消費(fèi)量為17.59億。 噸油當(dāng)量 (TOE) 在能源方面，或742億千兆焦耳(20.5萬億千瓦時(shí))。TOE是國際比較的標(biāo)準(zhǔn)化單位，等于一噸石油中所含的能量[來源： 歐盟委員會(huì);大學(xué)科學(xué)]。

　　在這個(gè)簡化的場景中，PMFC在一個(gè)非常大的能源桶中提供了一滴，但它是一個(gè)無污染的下降，并且是由郁郁蔥蔥的景觀而不是冒煙的發(fā)電廠或鳥類粉碎產(chǎn)生的下降。 風(fēng)電場.

　　而且，這僅僅是個(gè)開始。研究人員已經(jīng)在研究更有效的廢物吞噬細(xì)菌，在2008年至2012年期間，基質(zhì)化學(xué)的進(jìn)步使一些PMFC的電力產(chǎn)量增加了一倍以上。 PlantPower認(rèn)為，一旦完善，PMFC可以提供多達(dá)20%的歐洲 一次能源 --即來自未轉(zhuǎn)化自然資源的能源[來源： ?vergaard;植物動(dòng)力]。

　　PMFC必須變得更便宜和更有效率，然后才能得到廣泛實(shí)施，但進(jìn)展正在發(fā)生。許多MFC已經(jīng)通過用高導(dǎo)電性碳布而不是貴金屬或昂貴的石墨氈制造電極來節(jié)省資金[來源： 鄧、陳、趙; 粗花呢].截至2012年，在實(shí)驗(yàn)室條件下操作一立方米的設(shè)置的成本為70美元。

　　當(dāng)人們考慮它們?nèi)コ廴疚锖蜏p少溫室氣體的潛力時(shí)，誰知道呢?PMFC可以吸引足夠的投資者和政府興趣，成為未來的發(fā)電廠 - 或者為更好的想法播下種子[來源： 鄧、陳、趙].

　　作者注：植物微生物燃料電池如何工作

　　如果你考慮一下，制造一個(gè)可以消耗細(xì)菌消化過程的電池會(huì)讓我們離半機(jī)械人和自供電機(jī)器更近一步。人體依靠腸道細(xì)菌將食物轉(zhuǎn)化為能量;如果我們可以利用這個(gè)過程來為燃料電池充電，那么我們也可以為身體植入物提供動(dòng)力，比如心臟起搏器。

　　哈佛醫(yī)學(xué)院和麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)模糊了這條線，構(gòu)建了一個(gè)由葡萄糖驅(qū)動(dòng)的大腦芯片，它從再循環(huán)的腦脊液中收獲[來源： 拉波波特、凱澤爾斯基和薩爾佩什卡爾].網(wǎng)絡(luò)大腦能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后嗎?(嗯，是的，可能)。

　　試想一下：我們可以制造出吃草的機(jī)器!好吧，這聽起來可能不像射線槍和火箭飛船那么性感，但這些機(jī)器可以無限期地在現(xiàn)場保持活躍，而無需充電或新電池。MFC的集合可以形成一個(gè)臨時(shí)的腸道，從植物葡萄糖中提取電力。