據(jù)估計，到2050年，世界人口將達到95億。鑒于我們目前的能源大部分來自化石燃料，這在提供足夠的可持續(xù)電力的同時緩解氣候變化方面帶來了重大挑戰(zhàn)。

近幾年來，有一個想法得到了廣泛的關注，那就是利用微生物燃料電池（MFCs）中的細菌發(fā)電。這些燃料電池依賴于某些自然存在的微生物的能力，這些微生物能夠“呼吸”金屬，交換電子來產(chǎn)生電能。這一過程可以使用稱為基質的物質作為燃料，其中包括廢水中發(fā)現(xiàn)的有機物。

目前，微生物燃料電池能夠發(fā)電，為計算器、小風扇和發(fā)光二極管等小型設備提供動力。在我們的實驗室里，我們用“模擬廢水”為一棵微型圣誕樹上的燈供電。但如果這項技術擴大規(guī)模，它將大有可為。

它們的工作原理

MFCs使用一個由陽極和陰極電極組成的系統(tǒng)，可以通過電流輸入或輸出。常見的MFCs系統(tǒng)由一個陽極室和一個被膜隔開的陰極室組成。細菌在陽極上生長，并將底物轉化為二氧化碳、質子和電子。

產(chǎn)生的電子隨后通過外部電路轉移到陰極室，而質子則通過薄膜。在陰極室中，質子和電子之間的反應會消耗掉氧氣并形成水。只要基底不斷轉換，電子就會流動，這就是電。

通過MFCs發(fā)電有許多優(yōu)點：系統(tǒng)可以在任何地方建立；它們產(chǎn)生的“污泥”比傳統(tǒng)的廢水處理方法（如活性污泥系統(tǒng)）少；它們可以是小規(guī)模的，但模塊化設計可以用來建立更大的系統(tǒng)；它們對鹽度有很高的耐受性；它們可以運行在室溫下。

可用于在MFCs中發(fā)電的各種可再生基板的可用性有可能在未來徹底改變電力生產(chǎn)。這些基質包括尿液、廢水中的有機物、活植物分泌到土壤中的物質（根系分泌物）、無機廢物，如硫化物，甚至氣體污染物。

一、糞便微生物

糞便和尿液等廢物中的可生物降解物質可以轉化為電能。這在加納的一個微生物燃料電池廁所中得到了證實，這表明廁所將來可能成為潛在的發(fā)電站。這座運行了兩年的廁所能夠產(chǎn)生268納瓦/平方米的電能，足以為廁所內(nèi)的LED燈供電，同時去除尿液中的氮，并將糞便堆肥。

對于沒有電網(wǎng)供電的地方或難民營，利用廁所中的廢物發(fā)電可能是真正的革命。

二、植物MFCs

MFCs可以用來發(fā)電的另一種可再生和可持續(xù)的基質是植物根系分泌物，即所謂的植物MFCs。當植物生長時，它們會產(chǎn)生葡萄糖等碳水化合物，其中一些會滲出到根系中。根部附近的微生物將碳水化合物轉化為質子、電子和二氧化碳。

在植物MFCs中，質子通過膜傳遞，然后與氧氣重新結合，完成電子轉移的回路。通過將負載連接到電路中，所產(chǎn)生的電能就可以利用了。

工廠MFC可以徹底改變那些無法接入電網(wǎng)的孤立社區(qū)的電力生產(chǎn)。在城鎮(zhèn)里，街道可以用樹照明。

三、微生物脫鹽池

微生物燃料電池的另一個變種是微生物脫鹽電池。這些裝置利用細菌發(fā)電，例如從廢水中發(fā)電，同時使水脫鹽。將要脫鹽的水放入夾在MFCs的陽極室和陰極室之間的室中，使用帶負（陰離子）和正（陽離子）電荷的離子的膜。

當陽極室中的細菌消耗廢水時，會釋放出質子。這些質子不能通過陰離子膜，所以負離子從鹽水進入陽極室。在陰極，質子被消耗掉，所以帶正電的離子從鹽水移到陰極室，使中間室的水淡化。陽極和陰極室釋放的離子有助于提高發(fā)電效率。

傳統(tǒng)的海水淡化目前是非常能源密集的，因此成本高昂。一種在生產(chǎn)（不消耗）電能的同時實現(xiàn)大規(guī)模海水淡化的工藝將是革命性的。

四、提高天然氣產(chǎn)量

厭氧消化-微生物在不需要氧氣的情況下分解可生物降解或廢物，通過產(chǎn)生沼氣（主要是天然氣的主要成分）從廢水中回收能量。但這個過程通常效率低下。

研究表明，這些消化器中使用的微生物群共享被稱為種間電子轉移的電子，這為它們利用正能量影響新陳代謝開辟了可能性。

通過向厭氧消化池提供一個小電壓——一種稱為電甲烷生成的過程——甲烷產(chǎn)量（以及由此可從熱電廠回收的電力）可以顯著提高。

雖然微生物燃料電池能夠發(fā)電為小型設備提供動力，但研究人員正在研究如何擴大反應器的規(guī)模，以增加其發(fā)電量，并進一步了解細胞外電子傳遞是如何工作的。一些初創(chuàng)公司，如Robial和Plant-e開始將微生物燃料電池商業(yè)化。未來，微生物燃料電池甚至可以在人類長期太空任務中用于再生生命支持系統(tǒng)發(fā)電。雖然還處于早期階段，但這項技術仍有很大的發(fā)展前景。