微生物燃料電池

1、一、促進(jìn)發(fā)展的因素：（一）世界能源消耗自工業(yè)革命以來，隨著生產(chǎn)力發(fā)展和科技進(jìn)步，人類開發(fā)和利用自然資源的能源的能力大幅提升，化石能源的大規(guī)模開采及使用對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，尤其對工業(yè)化、城市化起到了重要推動(dòng)作用，但人類與自然之間的關(guān)系也隨之發(fā)生了根本性變化。隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的劇增、人類欲望的無限上升和對自然資源無節(jié)制地大規(guī)模開采，全球能源消費(fèi)急劇增加。這不僅使世界能源供應(yīng)面臨嚴(yán)重危機(jī)，而且二氧化碳的過度排放導(dǎo)致全球氣候變暖，對人類社會(huì)

2、的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。正是在這樣的國際背景下，世界各國開始尋求以減少二氧化碳排放為目的的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。低碳經(jīng)濟(jì)是人類在面臨全球氣候變暖、環(huán)境惡化和能源短缺的殘酷現(xiàn)實(shí)背景下提出的經(jīng)濟(jì)理論，它開辟了一條人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的新路徑。隨著人類認(rèn)識(shí)的逐步深化和實(shí)踐的深入，低碳經(jīng)濟(jì)的內(nèi)涵也不斷豐富和擴(kuò)展，但低碳經(jīng)濟(jì)至今還沒有約定俗成的定義。目前，國際上將低碳經(jīng)濟(jì)定義為“以可持續(xù)發(fā)展理念為指導(dǎo)，通過技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、新能源與可

3、再生能源開發(fā)等多種手段，盡量減少煤炭、石油、天然氣等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，遏制全球氣候變暖，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)“雙贏”的一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)”。從低碳經(jīng)濟(jì)的定義可以看出，低碳經(jīng)濟(jì)的實(shí)質(zhì)是提高能源效率，特征是低消耗、低排放、低污染、高附加值，核心是技術(shù)創(chuàng)新和制度創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)途徑是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生產(chǎn)方式和消費(fèi)方式轉(zhuǎn)變，目的是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。低碳經(jīng)濟(jì)是一個(gè)新興的概念，它是對傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的揚(yáng)棄，是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流的

4、一種全新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是減少二氧化碳排放，延緩全球氣候變暖，保護(hù)人類共同家園的一種有效途徑。對于發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，中國同發(fā)達(dá)國家在發(fā)展動(dòng)機(jī)上有著部分共同的出發(fā)點(diǎn)。同時(shí)，中國在資源構(gòu)成、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀、科技水平上有著自己獨(dú)特的國情特征。因此，對于中國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要因地制宜，研究確立具有中國特色的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路。新能源產(chǎn)業(yè)是體現(xiàn)國家戰(zhàn)略的新興產(chǎn)業(yè)，對中國經(jīng)濟(jì)的長期持續(xù)發(fā)展，以及在國際產(chǎn)業(yè)競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位，都具有重要意義中國

5、新能源產(chǎn)業(yè)是目前還處于初創(chuàng)期的新興產(chǎn)業(yè)同時(shí)，新能源產(chǎn)業(yè)是國際產(chǎn)業(yè)競爭的重要領(lǐng)域，也是產(chǎn)業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的領(lǐng)域。新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的這些特征，決定了需要選擇與其他產(chǎn)業(yè)不同的戰(zhàn)略路徑。能源作為中國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，領(lǐng)先的能源工業(yè)發(fā)展水平是大國國家綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)。世界上許多國家都把保障能源安全列為首要的國家戰(zhàn)略目標(biāo)，如俄羅斯、美國等國家就己經(jīng)運(yùn)用軍事、政治等各種手段保障其國家能源的安全。中國能源安全的一個(gè)制約性因素是人口眾多，導(dǎo)致能源資源

6、的相對醫(yī)乏。（二）環(huán)境污染大量使用化石能源造成了嚴(yán)重的環(huán)境和生態(tài)問題。首先，大量使用正在生產(chǎn)的化甀產(chǎn)的化石能源己經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，二氧化硫的排放量己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出環(huán)境可以承載的程度，在全國監(jiān)測的338個(gè)城市，63.5%的城市空氣質(zhì)量處于中度或嚴(yán)重污染狀態(tài)「川。燃煤產(chǎn)生的氮氧化物形成酸雨，在一定條件下，繼北歐、北美之后，中國己成為世界第三大酸雨國，近62%的南方城市有酸雨，覆蓋面積占近30o二氧化硫污染對我們的自然資

7、源、生態(tài)系統(tǒng)和公共健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了國民經(jīng)濟(jì)和人們的正常生活。由于無法實(shí)施有效控制，據(jù)估計(jì)，到2020年左右，由空氣污染造成的疾病將要付出近4億美元的經(jīng)濟(jì)損失。其次，大量的油、煤等傳統(tǒng)能源的使用，從而導(dǎo)致二氧化碳、氮氧化物和其他溫室氣體的連續(xù)排放。（三）宇宙探索電子。十九世紀(jì)細(xì)胸生物學(xué)家郎利用這種反應(yīng)來使生物組織樣品染色?；罱M織能吸收染料并使之還原d還原過程即能使各個(gè)細(xì)胞內(nèi)的不向部位呈現(xiàn)不同的顏色變化。這

8、種顏色變化有助于細(xì)胞生物學(xué)家鑒別微生物并對微生物進(jìn)行計(jì)數(shù)。19川年達(dá)累姆大學(xué)植物學(xué)教授M.C.波特爾宣布微生物能夠產(chǎn)生電壓并發(fā)生電流。他把一個(gè)鉑電極放入面包酵母或大腸桿嘟勺培養(yǎng)液中。這個(gè)電極作為負(fù)極產(chǎn)生一個(gè)相對于第立個(gè)電極的負(fù)電勢第二個(gè)電極是在不含微生物的培養(yǎng)液中作為正極用的。波特爾直覺地認(rèn)識(shí)到這種微生物姍料電池的龜子是由微生物的食物降解產(chǎn)生的。他無法用當(dāng)時(shí)僅僅屬于想象的代謝過程的生化原理來解釋他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但當(dāng)時(shí)的科學(xué)界并沒有因此而畏

9、縮不前。后來微生物學(xué)家和酶學(xué)象南明了細(xì)菌中的酶是如何氧化其食物的。那時(shí)波特爾的微生物燃料電池己基本二被遺忘了。1913年劍橋大學(xué)的柯恩復(fù)活了波特爾的思想。他記述了微生物燃料電池的電池組產(chǎn)生35伏日上電壓的情況。然而直到宇航世紀(jì)的來臨和出現(xiàn)一石油圓乏才重新引起對這一課題的注意。本世紀(jì)六十年代美國國象航空和航天管理局曾支持許多生物電的研究計(jì)劃如把有機(jī)垃圾轉(zhuǎn)化為電流的方法。一些研究者用酵母或細(xì)菌使葡萄糖、椰子油和谷類表皮等燃料發(fā)酵產(chǎn)生乙醇或氫

10、等二次燃料。然后普通的嫩料電池再氧化二次漱料產(chǎn)生電能。這種電池的樣機(jī)可供晶體管收音機(jī)使用。后來由于美國國家航空和航夭管理局的興遂減退費(fèi)用縮減許多研究未免土于倉促。而微生物燃料電池的研究工作在日木(Ml叨進(jìn)行了工學(xué)教育的改革從試驗(yàn)的結(jié)果得出人解決各種問題:必須有理解和應(yīng)用自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)的能力最重要的是“臨床經(jīng)驗(yàn)”的結(jié)論。英國的教育部幾也指出工學(xué)教育的重點(diǎn)應(yīng)放在理論和應(yīng)用及實(shí)踐方面在工學(xué)教育中開展“技術(shù)科學(xué)”的教育培養(yǎng)出新一代有能力的人

11、材::澤1用二次燃料的燃料電池，由于發(fā)酵會(huì)放菊攀菊而喪朱熊量，故能量利用率較低。，六十年代，在南美表殺7有少數(shù)科學(xué)家把波特爾和柯思比較直接的方祛俘持叮來。_其中有一個(gè)是美國人M阿倫牌闡朗了大腸枉菌的代謝行為。但阿倫未能使微生物的食物轉(zhuǎn)化為息流的轉(zhuǎn)化率超過10l00另一些科學(xué)家則率先采用各種不同的細(xì)菌申甲烷娜舞釋牛來發(fā)電:木比耳石伸公司用了奸氏菌，康奈爾大掌擠驗(yàn)了假甲烷單蝴氮阿根廷的研究小組則擠產(chǎn)生琴佛狀細(xì)球菌。這些嘗試均成恤毗些微生物電

12、流。問題在于微生物有著脂肪性膜和細(xì)r指.C，會(huì)抑制微生物對重子源的利用。保持?jǐn)?shù)天甚球舉早期的電流胞生物學(xué)象熟知的化學(xué)物質(zhì)，介體是生物化學(xué)家和細(xì)因?yàn)樗鼈兡芗铀匐娮拥膫鬏?，?發(fā)現(xiàn)擠對于酶和細(xì)胞組織的娜早必不可少的。我介體能夠滲入禪生物時(shí)表層并從后者內(nèi)部提取出電子。_戶當(dāng)微線物分解(或代謝)食物的大分子時(shí)，含電子很多的中間體。中間體釋放出的電子，會(huì)產(chǎn)生不象一般的呼吸過程那樣交給氧，厚的分體把電子送到負(fù)極‘而是給予介體。然后被還電子從負(fù)極經(jīng)由

13、回路回到’正極7跟氧和氫離子結(jié)合生成水。介體的作用，部分地解決了電荷傳輸?shù)募?xì)胞壁壘問題。1981年，以科學(xué)和工程研究委員會(huì)生物技術(shù)刁側(cè)組的$3000美元撥款為后盾，我們皇家學(xué)院的一個(gè)小組一開始研究多響微生物發(fā)電的關(guān)鍵所在。微生物燃料電池的苛行性，部夯地取決于其發(fā)電容量一有多少燃料能釋放電荷轉(zhuǎn)化為氧化產(chǎn)物言以前，這類電池的發(fā)‘電容量小得無法精確測量，但我們證明了由變形桿菌的葡萄糖完全氧化至少可以獲取放出的一半電子的電流。效率不是太高，這是