植物微生物燃料电池的工作原理

　　如果植物微生物燃料电池流行起来，像这样的水稻植物可能意味着能量和食物。想了解更多?看看这些 替代燃料汽车图片.

　　知识共享/绿生 (在 CC BY 2.0 许可证下)直接或间接地，地球上几乎所有的生命都是太阳能供电的。

　　植物将阳光转化为有机化合物，当被其他生命消耗时，将太阳的能量传递给食物网的其余部分。作为人类，我们通过消化和燃烧生的或加工的植物来获取这些储存的能量。石油只是地质力量转化而早已死亡的有机物，第一代 生物燃料 由玉米、甘蔗和植物油轧制而成[来源： 《纽约时报》].

　　不幸的是，石油和能源一样充满了环境和安全问题，第一代生物燃料 - 通过燃烧其他燃料精炼 - 远远没有达到碳中和。更糟糕的是，随着全球粮食作物在生物燃料生产中失去优势，日益严重的稀缺推高了粮食价格、饥饿和政治不稳定[来源： 《纽约时报》].

　　但是，如果有一种方法可以让我们的大米也燃烧呢?如果我们可以从作物中获取能量而不杀死它们，或者利用不需要食物的植物和土地发电，所有这些都是通过微生物的力量呢?这就是背后的想法 植物微生物燃料电池 (PMFC).

　　当谈到让生命发挥作用时，植物可能会得到所有的好报道，但正是备受诟病的微生物将食物链维系在一起。具体来说，蓝藻有助于形成其基础;肠道微生物帮助我们消化其中的食物;土壤细菌将产生的废物转化为植物可以利用的营养物质。

　　几十年来，研究人员一直在寻找从这种微生物代谢中汲取能量的可能方法。到1970年代，他们的努力开始以 微生物燃料电池 (MFC) - 直接从微生物催化的化学反应中发电的设备[来源：Rabaey and Verstraete]。MFC 提供可再生的低功耗选项，用于监测污染物、清洁和淡化水以及为远程传感器和仪器供电。

　　当然，有一个问题：MFC只有在有东西可以啃噬的情况下才能发挥作用 - 通常是废水中的有机物质[来源： 邓、陈、赵; ONR].研究人员意识到，他们可以将废物 - 无休止的太阳能自助餐 - 直接输送到植物本身的土壤微生物中，并且种下了一个想法的种子。

　　到2008年，研究人员发表了论文，宣布了第一批这些植物动力MFC，其潜力变得越来越明显[来源： 邓、陈、赵; 德尚菲莱尔等.; 斯特里克等.].利用这种可扩展的技术，发展中国家的村庄和农场可以自给自足，而工业化国家可以减少他们的 温室足迹 通过从湿地、温室或生物精炼厂获取电力[来源： 多蒂;植物动力]。

　　简而言之，PMFC是“发电厂”的更新，更环保的旋转 - 也许。

　　没有比壤土更像土的地方了

　　事实证明，土壤充满了未开发的(电)潜力。

　　随着绿色植物的开展 光合作用 -- 将阳光中的能量转化为化学能，然后将其储存在葡萄糖等糖中 -- 它们通过根部将废物排放到称为 根际.在那里，细菌吞噬植物脱落的细胞，以及根部释放的蛋白质和糖分[来源： 英厄姆].

　　在PMFC术语中，这意味着，只要植物存活，细菌就有饭票，燃料电池就会发电。热力学第一定律，有人翻译为“没有免费的午餐”，仍然适用，因为系统从外部来源(即太阳)接收能量。

　　但是，在地球上或地球之下，微生物是如何产生的。 电力 仅仅通过消费和代谢食物?就像爱情或烘焙一样，这一切都归结为化学。

　　从广义上讲，MFC的工作原理是将电生化过程(新陈代谢)的两半分开并将它们连接在一起形成电路。为了理解如何，让我们详细看看细胞代谢。

　　在下面的教科书示例中，葡萄糖和氧气反应产生二氧化碳和水[来源：Bennetto;拉拜和弗斯特拉特]。

　　C6H12或6 + 602 → 6CO2 + 6H2或

　　但是在单个细胞或细菌等单细胞生物中，这种广泛的陈述掩盖了一系列中间步骤。其中一些步骤会暂时释放电子，众所周知，这些电子对于发电很方便。因此，这里不是葡萄糖和氧气反应产生二氧化碳和水，而是葡萄糖和水产生二氧化碳，质子(带正电荷的氢离子(H+)) 和电子 (E-[资料来源：贝内托;拉拜和弗斯特拉特]。

　　C6H12或6 + 6H26CO →2 + 24H+ + 24E-

　　在PMFC中，这一半的过程定义了燃料电池的一半。这部分位于根际，有植物根部、废物和细菌。细胞的另一半位于可渗透膜另一侧的富氧水中。在自然环境中，这种膜是由土壤 - 水边界形成的[来源：贝内托;拉拜和维斯特拉特; 邓、陈、赵].

　　在细胞的后半部分，自由质子和电子与氧气结合产生水，如下所示：

　　第6名2 + 24H+ + 24E- → 12H2或

　　质子通过流过离子交换膜到达后半部分，产生净正电荷 - 以及诱导电子沿着外部连接线流动的电势。瞧!电流[来源：贝内托;拉拜和维斯特拉特; 邓、陈、赵].

　　但是多少钱呢?

　　根除潜在问题

　　确定PMFC对环境的影响将需要对各个领域进行进一步研究，包括电极如何影响根部环境。例如，它们可能会降低养分的可用性，或降低植物抵抗感染的能力[来源： 邓、陈、赵].

　　此外，由于PMFC在我们一些最受保护的土地 - 湿地和农田 - 中效果最好，因此可能面临严峻的环境审批程序。另一方面，废水MFC可以氧化铵并减少硝酸盐，因此植物基MFCs可以通过保护湿地免受农业径流的影响来平衡风险[来源： 邓、陈、赵; 磨坊主; 粗花呢].

　　PMFC：都是湿的，还是在他们的领域表现突出?

　　截至2012年，PMFC不产生太多能量，仅在水生环境中工作，像芦苇甘露草(最大甘油)、水稻、普通草(斯巴达安格利亚)和巨型芦苇(阿伦多·多纳克斯[资料来源： 邓、陈、赵;植物动力]。如果你遇到一片PMFC的田野，比如瓦赫宁根荷兰生态研究所的屋顶补丁，你永远不会知道它只不过是植物的集合，除了从土壤中拖出的五颜六色的电线[来源： 威廉姆斯].

　　尽管如此，它们在解决其他全球可持续性问题方面的潜在应用，包括 生物燃料 在已经不堪重负的全球粮食供应系统中，继续激励研究人员和至少一项探索性冒险，即耗资 523 万欧元的项目 PlantPower [来源： 邓、陈、赵;植物动力; 特南鲍姆].

　　由于PMFC已经在水生植物上工作，农民和村庄不需要为了实施它们而倾倒他们的水稻作物。在更大范围内，社区可以在湿地或土壤质量差的地区建立PMFC，避免能源和粮食生产之间的土地竞争[来源： 斯特里克等.].像温室这样的人造环境可以全年生产能源，但农田发电量将取决于生长季节[来源：PlantPower]。

　　在当地生产更多的能源可以通过减少对燃料运输的需求来降低碳排放 - 这本身就是主要的温室气体贡献者。但有一个问题，而且非常重要：即使PMFC变得尽可能高效，它们仍然面临瓶颈 - 植物本身的光合作用效率和废物产生。

　　植物在将太阳能转化为生物质方面效率低得惊人。这种转换限制部分源于影响光合作用的量子因素，部分源于叶绿体仅吸收400-700纳米波段的光，这约占入射太阳辐射的45%[来源： 宫本].

　　地球上两种最普遍的光合作用植物被称为C3和C4，之所以如此命名，是因为它们在CO期间形成的第一个分子中的碳原子数量2 细分[资料来源：西格伦、考瑟和罗密欧;SERC]。占地球上植物(包括树木)95%的C3植物的理论转换极限仅为4.6%，而甘蔗和玉米等C4植物则攀升至接近6%。然而，在实践中，这些植物类型中的每一种通常只能达到这些值的70%[来源： 邓、陈、赵; 宫本;SERC]。

　　与任何机器一样，使用PMFC在运行工作时会损失一些能量 - 或者在这种情况下，在种植工厂时会损失一些能量。在光合作用构建的生物质中，只有20%到达根际，其中只有30%可供微生物作为食物使用[来源： 邓、陈、赵].

　　PMFC从产生的微生物代谢中回收约9%的能量作为电能。总的来说，这相当于C3工厂的PMFC太阳能到电力转换率接近0.017%((4.6%转化率的70%)x 20%x 30%x 9%)和C4工厂的0.022%(0.70 x 6.0 x 0.20 x 0.30 x 0.09)[来源： 邓、陈、赵; 宫本;SERC]。

　　事实上，一些研究人员认为这些假设可能低估了PMFC的潜力，这对消费者来说只能是好消息。

　　这是水力的

　　截至2012年11月，对燃料电池的兴趣持续激增，燃料电池使汽车能够比单独的电池供电行驶更多的里程，并且更容易在大型车辆中实现[来源： 高].但是，虽然氢燃料可能看起来很环保，但它的生产需要大量的电力，这使得它不是碳中和的[来源： 伍斯特].自然产生氢气的PMFC可以为真正的绿色氢燃料生产带来希望。

　　从石油到犁头

　　您正在研究两种不同的PMFC设计，它们都放置在荷兰瓦赫宁根的屋顶上。

　　图片由MARJOLEIN HELDER提供/植物-E与任何新技术一样，PMFC面临许多挑战;例如，他们需要一种同时有利于植物生长和能量转移的基质 - 这两个目标有时是矛盾的。例如，两半细胞之间的pH值差异会导致电势损失，因为离子在膜上“短”以实现化学平衡[来源： 赫尔德等.].

　　不过，如果工程师能够解决问题，PMFC可以同时拥有巨大而多样的潜力。这一切都归结为它们能产生多少能量。根据2008年的估计，这个神奇的数字每年约为每公顷(2.5英亩)21千兆焦耳(5，800千瓦时)[来源： 斯特里克等人]。 最近的研究估计，这个数字可能高达每公顷1000千兆焦耳[来源：Strik等人]。更多事实透视[来源： 英国石油公司; 欧盟委员会]:

　　一桶油含有大约 6 千兆焦耳的化学能。

　　欧洲有1370万农民，每个农场平均占地12公顷(29.6英亩)。

　　相比之下，美国有200万农民，平均每人180公顷(444.6英亩)。

　　根据这些数字，如果美国和欧洲1%的农田被转换为PMFC，那么欧洲每年将产生3450万千兆焦耳(95.8亿千瓦时)的粗略估计，美国每年将产生7560万千兆焦耳(209亿千瓦时)的粗略估计。

　　相比之下，2010年27个欧盟国家的消费量为17.59亿。 吨油当量 (TOE) 在能源方面，或742亿千兆焦耳(20.5万亿千瓦时)。TOE是国际比较的标准化单位，等于一吨石油中所含的能量[来源： 欧盟委员会;大学科学]。

　　在这个简化的场景中，PMFC在一个非常大的能源桶中提供了一滴，但它是一个无污染的下降，并且是由郁郁葱葱的景观而不是冒烟的发电厂或鸟类粉碎产生的下降。 风电场.

　　而且，这仅仅是个开始。研究人员已经在研究更有效的废物吞噬细菌，在2008年至2012年期间，基质化学的进步使一些PMFC的电力产量增加了一倍以上。 PlantPower认为，一旦完善，PMFC可以提供多达20%的欧洲 一次能源 --即来自未转化自然资源的能源[来源： Øvergaard;植物动力]。

　　PMFC必须变得更便宜和更有效率，然后才能得到广泛实施，但进展正在发生。许多MFC已经通过用高导电性碳布而不是贵金属或昂贵的石墨毡制造电极来节省资金[来源： 邓、陈、赵; 粗花呢].截至2012年，在实验室条件下操作一立方米的设置的成本为70美元。

　　当人们考虑它们去除污染物和减少温室气体的潜力时，谁知道呢?PMFC可以吸引足够的投资者和政府兴趣，成为未来的发电厂 - 或者为更好的想法播下种子[来源： 邓、陈、赵].

　　作者注：植物微生物燃料电池如何工作

　　如果你考虑一下，制造一个可以消耗细菌消化过程的电池会让我们离半机械人和自供电机器更近一步。人体依靠肠道细菌将食物转化为能量;如果我们可以利用这个过程来为燃料电池充电，那么我们也可以为身体植入物提供动力，比如心脏起搏器。

　　哈佛医学院和麻省理工学院的研究人员已经模糊了这条线，构建了一个由葡萄糖驱动的大脑芯片，它从再循环的脑脊液中收获[来源： 拉波波特、凯泽尔斯基和萨尔佩什卡尔].网络大脑能远远落后吗?(嗯，是的，可能)。

　　试想一下：我们可以制造出吃草的机器!好吧，这听起来可能不像射线枪和火箭飞船那么性感，但这些机器可以无限期地在现场保持活跃，而无需充电或新电池。MFC的集合可以形成一个临时的肠道，从植物葡萄糖中提取电力。