提到發電方式，多數人可能會想到火力、水力、風力、太陽能、核能??等途徑。然而，微生物發電這一較為冷門的領域卻擁有近百年的研究歷史。你可能會好奇，哪些微生物具有發電的?能力？這些微生物又是如何實現電能生成的？

  在探討這個話題之前，龙8娱乐官方网站首先要了解發電的本質——能量轉換。

  舉個例子，火力發電是通過燃燒煤炭，將其化學能量轉化為電能。?在生物體內，三磷酸腺苷（ATP）則被認為是一種“通用能量貨幣”。一個葡??萄糖分子在生物體內完全氧化后可以產生多達32個ATP分子。ATP被分解，不僅會釋放能量供生物體使用，還會伴隨電子轉移。

  這里就引出??了微生物發電的核心機制：胞外電子轉移（Extracellular Electron Transfer，簡稱EET）。在某些特定微生物（如希瓦氏菌（Shewanella）和地桿菌（Geobacter）等）中，ATP的能量釋放不僅局限于細胞內?。

  早在1911年，英國生物學家Michae??l Potter便已經發現，在含有釀酒酵母或特定細菌的培養液中使用鉑作為電極，有機物的分解過程可以生成電流。基于這一原理，科學家們一直在探究如何將微生物燃料電池（Microbial F?uel Cells，MFC）應用于人類社會。

  雖然MFC在能量轉換效率上仍有待提高，但經過一個多世紀的研究和發展，這種技術已逐漸走入公眾視野??。有科學家甚至預測，未來MFC技術有潛力被用于制造如手機電池這樣的日常用品??。

  在生物發電領域，希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）MR-1堪稱一名“明星”細菌。該細菌最初在O?neida湖中被分離出來，并因其獨特的錳還原（Manganese Reducing，簡稱MR）能力而得名。

  那么，希瓦氏菌MR-1為何具有天然的導電特性呢？

  科學家將具有自發進化胞外電子轉移（Extracellular Electron Transfer，簡稱EET）途徑的微生物稱作外產電菌。其中，最受研究者們關注的EET途徑便是希瓦氏菌MR-1的金屬還原（Metal-reducing，簡稱M??tr）途徑。

  在這一途徑中，電子通過細胞膜和周質空間??內的特殊細胞色素進行傳遞?，這些細胞色素上堆疊著密集的血紅素分子。

&?nbsp; 然而，盡管這些外產電菌在將底物轉化為電能的過程中展現出較高的效率??，它們對底物（即食物）特別挑剔，適應性相對較差。

&nb?sp; 此外，由于缺乏有效的遺傳操作工具，進行基因改造以提高其應用范圍和效率變得相對困難。這些因素在一定程度上限制了包括希瓦氏菌MR-1在內的外產電菌的廣泛應用。

  面對??天然產電菌在食物?選擇上的挑剔性質以及基因改造的困難，科學家們開始探究：能否使用更易于改造的細菌來實現發電呢？答案引人注目地是肯定的。

  大腸桿菌，作為生物研究中最常見的模型細菌，具備豐富的遺傳操作工具，且對食物源并無特別選擇性，因此成為了?這一改造項目的理想候選者。

  ???瑞士的Ardemis A. Boghossian教授利用希瓦氏菌MR-1的Mtr電子傳遞途徑為模板，在大腸桿菌中構建了類似的機制。

  具體而言，該團隊對大腸桿菌進行改造，這些改造讓大腸桿菌不僅能產生電流，而且該電流能夠?持續超過三天，有效證明了基因改造大腸桿菌具備?發電能力。

  細菌發電作為一個具有多方面應??用潛力的技術，主要可用于微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells, MFC）的構建。MFC有幾個??顯著的應用領域，包括但不限于發電產能、污水處理、生物感應和生物回收。

  發電產能：微生物燃料電池特別適用于電量需求較小和電池更換困難的場景，如無線傳感器網絡。更值得注意的是，MFC有可能?非常微型化，在某些應用中，其電極厚度僅為7μm，長度為2cm，從而能替代傳統電池。這為提供一種持久且可再生的電源打開了新的可能。

  污水處理：現有的污水處理技術大多電能消耗巨大。細菌發電的商業化應用有望改變這一狀況。例如，生活污水也可用作細菌發電的能量源，通過細菌在厭氧條件下分解有機物來產生能量，并以此驅??動電生成。

  生物感應：MFC產生的電流與污水中可溶性有機物含量成?正比，因此，它可用作測定污水中有機物含量的工具。一種基于MFC的生化需氧量（BOD）感應器已被研發出來。它能準確測量BOD水平，并已實現商業化。

  細菌發電不僅歷史悠久，而且應用廣泛。它可以解決發電產能和污水處理問?題，同時還具有生物感應和生物回收的潛?力。

  針對天然產電菌對環境條件較為挑剔的問題，科學家們已經開始轉向使用更為靈活的大腸桿菌作為生物發電的替代方案，?并已取得令人矚目的進展。?隨著科技的不斷發展，細菌發電有望越來越廣泛地應用于龙8娱乐官方网站的日常生活中。

參考文獻:

[1] Potter MC, Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds?. Proc. R. Soc. Lond. B., 1?911, 84: 260-276.

[2] Logan B?, Hamel??ers B, Rozendal R, et al. Microbial fuel cells: methodology and technology. Environ. Sci. Technol., 2006, 40(17): 5181-5192.

[3] Wiatrows?ki HA, Ward PM, Barkay T. Novel reduction of mercury (II) by mercury-sensitive dissimilatory metal reducing bacteri??a. Environ. Sci. Technol., 2006, 40 (21): 6690-6696.

[4] Ng CK, Sivakumar K, Liu X, et al. Influence of outer membrane c-type cytochrome?s on particle size and activity of extracellular nan?oparticles produced by Shewanella oneidensis. Biotechnol. Bioeng., 2013, 110 (7): 1831-1837.

[5] Shi L., Dong H., Reguera, G, et al. Extracellular electron t??ran??sfer mechanisms

between microorganisms and minerals. Nat.? Rev. Microbiol., 2016,?? 14, 651-662.

[6] Mouhib M, Reggente M, Li L, et al. Extracellular electron transfer pathw??ays to e??nhance the electroactivity of modified Escherichia coli. Joule, 2023, 7, 2092-2106.

[7] Mukhopadhyay S C, J???????????????????????????iang J. Application of microbial fuel cells to power sensor networks for ccological monitoring. Wireless Sensor Networks and Ecological Monitoring, Smart Sensors, Measurement and Instrumentation, 2013, 3, 151-178.

[8] Chen T, Bar?ton S C, Binyamin G, et al. A miniature biofuel cell. J. Am. Chem. Soc., 2001, 123 (35): 8630-8631.

[9] Oon Y L, Ong S A, Ho L? N, et al. Hybrid system up-flow constructed wetland integrated with microbial fuel cell for simultaneous wastewater treatment and electricity generation. Bioresour. Technol., 2015, 186, 270-275.

[10] Chang I S，Moon, H, Jang J K, et al. Improvement of a microbial fuel cell performance as a BOD sensor using r??espiratory inhibitors. Biosens. Bioele??ctron., 2005, 20 (9): 1856-1859.

[11] Heijne A T, Liu F, Weijden R, et al. Copper recovery combined with electricity production in a microbial fuel cel??l. Environ. Sci. Technol., 2010, 44 (11): 4376-4381.

出品：科普中國

作者：Denovo團隊