如果你曾经酿造过啤酒，做过老式酸菜，或者尝试过在过去一二十年中流行起来的许多其他发酵食品中的一种，你就会知道微生物是从平凡物质中释放能量的专家。

工程师们应该本能地认识到，当一罐看似惰性的材料逐渐开始冒泡和冒泡时，重要的事情正在发生，每隔一段时间，这一课就会以一种令人难忘的方式被带回家。我曾经喝过一瓶自制酒，不知怎么变得（非常）碳酸过度；由此产生的金色麦芽酒喷泉威力巨大，以至于弄脏了我餐厅的天花板。

 

微生物电压

从微生物作用中获取能量的想法并不新鲜。早在1911年，一位名叫波特的植物学家就用普通酿酒酵母（酿酒酵母）发电。从现在到那时，对微生物燃料电池（MFC）的研究一直在继续，但MFC科学被可行性障碍所包围，实际应用仍然很少。

MFC技术的目标是利用微生物将储存在土壤、废水等中的能量转化为另一种形式，进而转化为电能。这种转化的细节因系统而异，不同的系统使用不同类型的微生物，但基本思想是通过收集微生物代谢释放的电子来产生电位差。然后，这个电势差起到来自电池的电压的作用，并可以为电路供电。

 

An example of soil-based microbial voltage generation

一个基于土壤的微生物电压产生的例子。图片（修改）自MFCGuy2010[CC BY-SA 3.0]
 

用于电子设备的微生物能量

能量收集是低压电子设计中一种众所周知且越来越可行的技术。地球上充满了能量——阳光、风、热、声音、机械振动和环境电磁辐射。既然我们可以使用能源，而这些能源只会以非生产性的方式消耗掉，为什么还要购买电池呢？

 

This diagram illustrates the concept of energy harvesting for electronic devices

该图说明了电子设备能量收集的概念。图片由Krishnan等人提供。
 

某些类型的能量收集比其他类型的更实用，并且MFC处于可行性范围的低端，尤其是对于传感器或显示器等小型设备。在大多数情况下，设计团队会选择阳光或风而不是微生物。然而，一些应用程序与太阳能或风能不兼容，如果也强烈反对使用传统电池，MFC可能是首选解决方案。

这正是加州大学圣地亚哥分校的Gabriel Marcano和Pat Pannuto在研究中探索的应用类型。他们的工作在一本名为《土壤动力？：微生物燃料电池能为非平凡的传感器提供动力吗？》的出版物中进行了描述。其目的是评估使用微生物能量为农业传感器系统提供动力的可行性，尤其是由于操作限制，无法获得阳光或风的农业传感器系统。

 

微生物燃料电池与生物电池

Marcano和Pannuto将MFC与生物电池区分开来：

除非MFC用于发电的介质或营养物质以某种方式被更新，否则该设备应被称为生物电池，而不是燃料电池。从长远来看，我们有兴趣将MFC嵌入农业床或湿地等环境中，在这些环境中，现有的过程可以恢复营养。然而，我们在这项工作中研究的细胞是独立的。因此，它是一种生物电池。

在这两种情况下，基本目标是将微生物代谢释放的能量转化为可以为电路供电的电压。但是，如果某种自然现象不能补充微生物的食物供应，那么系统的功能就更像电池，因为它最终达到“放电”状态，不再为电路操作产生足够的电压。

 

MFC与农业传感器完美配对

MFC是农业传感器的一种有吸引力的电源，尤其是在传感器必须与土壤接触的情况下。首先，土壤中已经含有微生物和适合这些微生物的食物（即有机物）。此外，位于土壤表面上或附近的装置会干扰农具，因此必须将其掩埋。阳光、风能和传统电池对于埋入式传感器来说是不可行的电源。MFC引入了一种埋入式农业传感器的可能性，该传感器可以通过从周围土壤中获取能量而无限期地发挥作用。

加州大学可持续发展学院的研究人员研究的系统包括一个由盆栽土壤提供燃料的现成生物电池（称为MudWatt）。他们将其与Analog Devices的能量采集电源管理单元、用于能量存储的超级电容器、微控制器和电子墨水显示器相结合。显示器起到模拟典型农业传感器操作所需的负载电流周期性爆发的方便手段的作用。

 

This is a block diagram of the prototype system tested by researchers at UCSD

这是加州大学可持续发展学院的研究人员测试的原型系统的框图。图片由UCSD提供[CC BY-SA 4.0]
 

Marcano和Pannuto能够创建一个功能系统，从这个意义上说，该研究项目是成功的。然而，仍然存在重大障碍。微生物燃料电池对土壤水分含量很敏感，研究人员承认，他们通过保持不切实际的土壤饱和水平来实现一致的功率输出。

此外，受控的实验室条件并不能深入了解真实农业环境中存在的变量的影响。功率输出可能会受到温度变化、耕作或化肥或农药施用造成的微生物活动暂时中断的显著影响。

最后，即使在理想的条件下，MFC也不会产生太多的电力。谈到该系统的功能，Pannuto总结道：“我们不会很快在土壤上运行手机，但我们可以获得足够的能量，每天发送几次数据包。”

 

MFC值得努力吗？

MFC技术在过去的一百年里并没有取得惊人的进步。加州大学可持续发展学院的研究团队已经确定了一种情况，在这种情况下，微生物能量收集可能是一种有用的发电形式，但在大规模的情况下，基于MFC的系统可能永远不具备经济可行性和足够的鲁棒性。

 

特色图片（修改）由Brian Boucheron提供[CC BY 2.0]

 

你有什么想法？研究人员是否应该继续在MFC开发上投入时间和金钱，或者这些资源会更好地用于其他地方？