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。

　　植物將陽光轉化為有機化合物，當被其他生命消耗時，將太陽的能量傳遞給食物網的其余部分。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存的能量。石油只是地質力量轉化而早已死亡的有機物，第一代 生物燃料 由玉米、甘蔗和植物油軋制而成[來源： 《紐約時報》].

　　不幸的是，石油和能源一樣充滿了環境和安全問題，第一代生物燃料 - 通過燃燒其他燃料精煉 - 遠遠沒有達到碳中和。更糟糕的是，隨著全球糧食作物在生物燃料生產中失去優勢，日益嚴重的稀缺推高了糧食價格、饑餓和政治不穩定[來源： 《紐約時報》].

　　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).

　　當談到讓生命發揮作用時，植物可能會得到所有的好報道，但正是備受詬病的微生物將食物鏈維系在一起。具體來說，藍藻有助于形成其基礎;腸道微生物幫助我們消化其中的食物;土壤細菌將產生的廢物轉化為植物可以利用的營養物質。

　　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反應中發電的設備[來源：Rabaey and Verstraete]。MFC 提供可再生的低功耗選項，用于監測污染物、清潔和淡化水以及為遠程傳感器和儀器供電。

　　當然，有一個問題：MFC只有在有東西可以啃噬的情況下才能發揮作用 - 通常是廢水中的有機物質[來源： 鄧、陳、趙; ONR].研究人員意識到，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，并且種下了一個想法的種子。

　　到2008年，研究人員發表了論文，宣布了第一批這些植物動力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.].利用這種可擴展的技術，發展中國家的村莊和農場可以自給自足，而工業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;植物動力]。

　　簡而言之，PMFC是“發電廠”的更新，更環保的旋轉 - 也許。

　　沒有比壤土更像土的地方了

　　事實證明，土壤充滿了未開發的(電)潛力。

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

　　在PMFC術語中，這意味著，只要植物存活，細菌就有飯票，燃料電池就會發電。熱力學第一定律，有人翻譯為“沒有免費的午餐”，仍然適用，因為系統從外部來源(即太陽)接收能量。

　　但是，在地球上或地球之下，微生物是如何產生的。 電力 僅僅通過消費和代謝食物?就像愛情或烘焙一樣，這一切都歸結為化學。

　　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，讓我們詳細看看細胞代謝。

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

　　C6H12或6 + 602 → 6CO2 + 6H2或

　　但是在單個細胞或細菌等單細胞生物中，這種廣泛的陳述掩蓋了一系列中間步驟。其中一些步驟會暫時釋放電子，眾所周知，這些電子對于發電很方便。因此，這里不是葡萄糖和氧氣反應產生二氧化碳和水，而是葡萄糖和水產生二氧化碳，質子(帶正電荷的氫離子(H+)) 和電子 (E-[資料來源：貝內托;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、廢物和細菌。細胞的另一半位于可滲透膜另一側的富氧水中。在自然環境中，這種膜是由土壤 - 水邊界形成的[來源：貝內托;拉拜和維斯特拉特; 鄧、陳、趙].

　　在細胞的后半部分，自由質子和電子與氧氣結合產生水，如下所示：

　　第6名2 + 24H+ + 24E- → 12H2或

　　質子通過流過離子交換膜到達后半部分，產生凈正電荷 - 以及誘導電子沿著外部連接線流動的電勢。瞧!電流[來源：貝內托;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對環境的影響將需要對各個領域進行進一步研究，包括電極如何影響根部環境。例如，它們可能會降低養分的可用性，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的土地 - 濕地和農田 - 中效果最好，因此可能面臨嚴峻的環境審批程序。另一方面，廢水MFC可以氧化銨并減少硝酸鹽，因此植物基MFCs可以通過保護濕地免受農業徑流的影響來平衡風險[來源： 鄧、陳、趙; 磨坊主; 粗花呢].

　　PMFC：都是濕的，還是在他們的領域表現突出?

　　截至2012年，PMFC不產生太多能量，僅在水生環境中工作，像蘆葦甘露草(最大甘油)、水稻、普通草(斯巴達安格利亞)和巨型蘆葦(阿倫多·多納克斯[資料來源： 鄧、陳、趙;植物動力]。如果你遇到一片PMFC的田野，比如瓦赫寧根荷蘭生態研究所的屋頂補丁，你永遠不會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，它們在解決其他全球可持續性問題方面的潛在應用，包括 生物燃料 在已經不堪重負的全球糧食供應系統中，繼續激勵研究人員和至少一項探索性冒險，即耗資 523 萬歐元的項目 PlantPower [來源： 鄧、陳、趙;植物動力; 特南鮑姆].

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

　　在當地生產更多的能源可以通過減少對燃料運輸的需求來降低碳排放 - 這本身就是主要的溫室氣體貢獻者。但有一個問題，而且非常重要：即使PMFC變得盡可能高效，它們仍然面臨瓶頸 - 植物本身的光合作用效率和廢物產生。

　　植物在將太陽能轉化為生物質方面效率低得驚人。這種轉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，是因為它們在CO期間形成的第一個分子中的碳原子數量2 細分[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，在實踐中，這些植物類型中的每一種通常只能達到這些值的70%[來源： 鄧、陳、趙; 宮本;SERC]。

　　與任何機器一樣，使用PMFC在運行工作時會損失一些能量 - 或者在這種情況下，在種植工廠時會損失一些能量。在光合作用構建的生物質中，只有20%到達根際，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，這相當于C3工廠的PMFC太陽能到電力轉換率接近0.017%((4.6%轉化率的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]。

　　事實上，一些研究人員認為這些假設可能低估了PMFC的潛力，這對消費者來說只能是好消息。

　　這是水力的

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

　　從石油到犁頭

　　您正在研究兩種不同的PMFC設計，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與任何新技術一樣，PMFC面臨許多挑戰;例如，他們需要一種同時有利于植物生長和能量轉移的基質 - 這兩個目標有時是矛盾的。例如，兩半細胞之間的pH值差異會導致電勢損失，因為離子在膜上“短”以實現化學平衡[來源： 赫爾德等.].

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

　　一桶油含有大約 6 千兆焦耳的化學能。

　　歐洲有1370萬農民，每個農場平均占地12公頃(29.6英畝)。

　　相比之下，美國有200萬農民，平均每人180公頃(444.6英畝)。

　　根據這些數字，如果美國和歐洲1%的農田被轉換為PMFC，那么歐洲每年將產生3450萬千兆焦耳(95.8億千瓦時)的粗略估計，美國每年將產生7560萬千兆焦耳(209億千瓦時)的粗略估計。

　　相比之下，2010年27個歐盟國家的消費量為17.59億。 噸油當量 (TOE) 在能源方面，或742億千兆焦耳(20.5萬億千瓦時)。TOE是國際比較的標準化單位，等于一噸石油中所含的能量[來源： 歐盟委員會;大學科學]。

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

　　而且，這僅僅是個開始。研究人員已經在研究更有效的廢物吞噬細菌，在2008年至2012年期間，基質化學的進步使一些PMFC的電力產量增加了一倍以上。 PlantPower認為，一旦完善，PMFC可以提供多達20%的歐洲 一次能源 --即來自未轉化自然資源的能源[來源： ?vergaard;植物動力]。

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

　　當人們考慮它們去除污染物和減少溫室氣體的潛力時，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，制造一個可以消耗細菌消化過程的電池會讓我們離半機械人和自供電機器更近一步。人體依靠腸道細菌將食物轉化為能量;如果我們可以利用這個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力，比如心臟起搏器。

　　哈佛醫學院和麻省理工學院的研究人員已經模糊了這條線，構建了一個由葡萄糖驅動的大腦芯片，它從再循環的腦脊液中收獲[來源： 拉波波特、凱澤爾斯基和薩爾佩什卡爾].網絡大腦能遠遠落后嗎?(嗯，是的，可能)。

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