微生物能“清潔”污水 還能發(fā)電

太陽能、風能、核能可發(fā)電，但是，你知道微生物在處理廢水的過程中也能產(chǎn)生電能嗎？
　　
　　科學院成都生物研究所應用與環(huán)境微生物中心李大平研究員課題組，就發(fā)現(xiàn)了一種能夠在堿性條件下分解有機物且同時產(chǎn)生電能的微生物，并用兩年多的時間揭開了它們產(chǎn)電的奧秘，相關(guān)的研究成果已在生物能源期刊《BioresourceTechnology》(生物資源技術(shù))上發(fā)表。該刊物發(fā)表的文章屬于全該領(lǐng)域Z重要和Z有影響力的研究成果之一。
　　
　　這種微生物能“吃掉”廢水中有機物
　　
　　各種工業(yè)廢水和生活廢水，都存在著不同程度的有機物污染，衡量水質(zhì)污染程度的指標COD也主要衡量水中有機物的含量。因此，各種污水處理技術(shù)都需要將污染水體中的有機物去除。
　　
　　中科院成都生物所李大平團隊成員張禮霞介紹，目前科學家們已發(fā)現(xiàn)很多微生物在處理廢水中的有機物時能夠產(chǎn)生電能，如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等，但這些菌種都只能在中性條件下或偏酸性的條件下產(chǎn)電。工業(yè)廢水更多的是堿性廢水，堿性條件可以抑制甲烷的產(chǎn)生從而有利于電能輸出。因此，研究堿性條件下的微生物產(chǎn)電機制，對堿性廢水的生物處理和微生物燃料電池的研制有重要意義。
　　
　　“兩年前我們就發(fā)現(xiàn)了這種特殊的微生物菌種，它可以在堿性條件下分解有機物，同時還原銅、隔等多種重金屬離子。”張禮霞告訴成都商報記者，這株嗜堿性假單胞菌是他們在研究污染環(huán)境中的微生物特性時意外發(fā)現(xiàn)的。由于微生物還原金屬離子的本質(zhì)就是電子的傳遞，這與微生物產(chǎn)電的原理具有一致性，于是他們決定試試這株菌是否可以產(chǎn)生電能。
　　
　　“結(jié)果很快就用實驗證實了，它可以在降解有機物的同時產(chǎn)生電能。”張禮霞說，雖然這株菌在堿性條件下能將廢水中的有機物徹底分解，并將其有機物中的能量全部以電子的形式轉(zhuǎn)移到外電路，但這一切究竟是何原因，卻花費了兩年多的時間才完全弄清楚。
　　
　　近百次實驗發(fā)現(xiàn)有個電子“搬運工”
　　
　　張禮霞介紹，研究團隊的成員們嘗試了各種方法來尋找這種嗜堿性假單胞菌的產(chǎn)電機理。“由于細菌和電子都是看不見摸不著的東西，所以實驗中的困難是不言而喻的。”張禮霞說，經(jīng)過近百次實驗的摸索、對比、分析，他們終于找到了一個突破口，即采用電化學技術(shù)發(fā)現(xiàn)該菌在分解有機物且產(chǎn)電的過程中，產(chǎn)生了一種具有電化學活性的物質(zhì)。
　　
　　通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)這種假單胞菌可以“吃進”葡萄糖、蔗糖、果糖、蜜糖、淀粉、檸檬酸等多種有機物，這些有機物在微生物自身的新陳代謝中，通過各種酶的作用得以分解。Z終的分解產(chǎn)物為水、二氧化碳和能量，這些能量小部分被細菌吸收供其繁殖和生命活動消耗，大部分以電子的形式傳遞到外電路產(chǎn)生電能。此菌分解有機物的過程與科學家們此前發(fā)現(xiàn)的微生物分解有機物的過程，并無太大差別。
　　
　　“不過，我們還發(fā)現(xiàn)這種假單胞菌的代謝過程產(chǎn)生了一種吩嗪-1-羧酸介體，這種介體起到了"搬運"電子的作用。”張禮霞說，在微生物燃料電池中，該菌代謝中產(chǎn)生的吩嗪-1-羧酸這種中間物，具有迅速結(jié)合電子和迅速釋放電子的能力。因此，在接通外電路的條件下，該介體就不停地到電子多的地方(細菌細胞中)與電子結(jié)合，然后將電子搬運到電子少的地方(外電路電極上)釋放，相當于是個自動的電子“搬運工”。這樣，電子就從細菌分解有機物的細胞中傳遞到了外電路，形成穩(wěn)定的電流。
　　
　　前不久，李大平團隊將這種能在堿性條件下分解有機物且同時產(chǎn)生電能的嗜堿性假單胞菌及其產(chǎn)電機理等，發(fā)表在了上的生物能源期刊《BioresourceTechnology》上。
　　
　　微生物燃料電池應用研究前景廣
　　
　　成都商報記者獲悉，李大平團隊正在試驗研究，COD約為500毫克/升的5升廢水，可在15天將COD徹底降解，產(chǎn)生的平均電功率為1.7毫瓦。
　　
　　張禮霞介紹，微生物燃料電池原料廣泛，可以利用多種有機物，包括廢水、污水中的有機物，甚至地里的秸稈，吃剩的飯菜，都可以轉(zhuǎn)變成電能。其次，它的操作條件溫和，一般在常溫常壓下工作。這使得電池維護成本低，安全性強。第三，資源利用率高，無污染，其能量利用率可達90%以上。
　　
　　“微生物燃料電池已在全吸引了能源，交通，環(huán)境，航天等各方面的廣泛關(guān)注，目前已有一些應用，譬如用于海上的航向標的供電，以及心臟起搏器的供電。”張禮霞說，而利用生活污水、畜牧廢水的微生物燃料電池正在應用研究之中，希望以此達到分解污染物同時又可產(chǎn)生電力供應周圍地區(qū)的需要。人們還希望研制出以宇航員的生活廢物為燃料的電池，以供宇宙飛船中的能量利用；甚至可以通過“吃飯”來補充能量的機器人也將成為現(xiàn)實。這是一個夢幻般的前景，也是一項革命性的技術(shù)。