生物世界

微生物生物膜水伏发电是一类将水的势能和动能转换成电能的能量转换技术。图为藻类微生物生物膜进行能量转换示意图。AI制图

       水是地球上较大的能量载体，吸收了地球表面约35%的太阳辐射能量。人类利用水能的历史，可追溯到春秋时期的水车或更早。利用水的势能和动能转换成电能来发电是现代电力来源的一种重要途径，被称为水伏发电。水伏发电具有可持续性、成本低，以及环境友好等特点。

       近日，国际科技期刊《自然·通讯》发表论文指出，微生物生物膜可利用水蒸气进行水伏发电，这为研发新型水伏发电能源技术带来了可能性。

       微生物生物膜是由微生物细胞及其分泌物构成的复杂生物结构，它们在自然界中广泛存在，从河流、湖泊到土壤，甚至在我们的皮肤上。这些微生物生物膜具有高度的多样性和适应性，能在各种环境中生存和繁衍。

       在水伏发电技术中，微生物生物膜的亲水性、多孔性和导电性是关键特性，它们共同作用于水分子，出现能量转换过程。

       当微生物生物膜暴露在环境中，表面的亲水基团能吸引并吸附水分子。这些水分子在微生物生物膜的多孔结构中移动，与微生物生物膜中的离子和电子发生相互作用产生电能。这一过程不依赖于外部能源输入，而是直接利用环境中的水分，显示出极高的能源利用效率。

       与传统的化石燃料发电相比，微生物生物膜水伏发电技术具有显著的环保优势，不产生温室气体排放，不依赖于有限的自然资源，而是利用自然界中无处不在的水分子。这种技术有助于减少对化石燃料依赖，推动能源结构转型，为实现碳中和目标提供了新的途径。

       微生物生物膜水伏发电技术应用领域非常广泛，可为偏远地区提供清洁、可靠的能源供应，解决电力短缺问题。在环境监测和修复领域，微生物生物膜可集成到传感器和修复系统中，实现对水质、土壤等环境因素的实时监测和修复。在可穿戴设备领域，这种技术可为智能手表、健康监测器等设备提供持续的能源支持，延长设备使用时间，提高用户体验。

       目前，微生物生物膜水伏发电技术的实际应用，主要集中在环境监测和水质修复。墨西哥开展了处理养猪场废水的大型试验项目，每天能处理大约630升的废水。美国波士顿布瑞恩创新中心开展的试验规模更大，每天能处理2.25吨废水。这些处理过的水足够15个人使用。未来，该中心将扩大规模，预计每天处理20吨废水。

       随着技术的进步，微生物生物膜水伏发电技术在不断优化和发展。科研人员正在探索新的微生物种类和培养方法，以提高微生物生物膜的电导率和稳定性，通过材料科学和纳米技术应用可改善微生物生物膜的结构和性能，提高能量转换效率。

       在实际应用中，微生物生物膜的大规模生产和集成需要解决成本和可扩展性问题，在不同环境条件下的性能稳定性也需要进一步研究。为了克服这些困难，科研人员正开展跨学科研究，结合生物学、材料科学、能源工程等领域的知识，推动技术创新和应用。

    （作者系华中科技大学绿色能源工业研究中心工程师、英国皇家化学会会员）

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