18新利最新登入植物-微生物燃料电池如何工作

事实证明，土壤中充满了未开发的(电势)。

就像绿色植物一样光合作用——将阳光中的能量转化为化学能，然后将其储存在葡萄糖等糖类中——它们通过根部将废物排放到被称为“糖”的土层中根际．在那里，细菌会吃掉植物脱落的细胞，18新利最新登入以及它们根部释放的蛋白质和糖[来源:英］．

在PMFC方面，这意味着，只要植物活着，细菌就有饭票，燃料电池就能发电。热力学第一定律，被一些人翻译为“天下没有免费的午餐”，仍然适用，因为系统从外部来源接收能量，即太阳。

但在地球18新利最新登入上或地球下，微生物是如何产生的呢电仅仅通过消耗和代谢食物?就像爱情或烘焙一样，这一切都归结于化学反应。

广义上讲，mfc的工作原理是将电生化过程(代谢)的两部分分离，并将它们连接到一个电路中。为了理解这一点，让我们详细看18新利最新登入看细胞代谢。

在下面的教科书例子中，葡萄糖和氧气反应生成二氧化碳和水[来源:Bennetto;Rabaey和Verstraete]。

C₆H₁₂O₆+ 6 o₂→6摄氏度_O2+ 6 h₂O

但在单个细胞内——或像细菌这样的单细胞生物内——这种宽泛的说法掩盖了一系列中间步骤。其中一些步骤会暂时释放电子，我们都知道，这对发电很方便。所以，葡萄糖和氧气不是反应生成二氧化碳和水，这里葡萄糖和水产生二氧化碳，质子(带正电的氢离子(H⁺)和电子(e^-)[资料来源:Bennetto;Rabaey和Verstraete]。

C₆H₁₂O₆+ 6 h₂O→6co₂+ 24小时⁺e + 24^-

在PMFC中，这一半的过程决定了燃料电池的一半。这部分与植物根、废物和细菌一起位于根际。细胞的另一半位于可渗透膜对面的富氧水中。在自然环境中，这种膜是由土壤-水边界形成的[来源:Bennetto;Rabaey和Verstraete;邓，陈，赵］．

在细胞的后半部分，自由质子和电子与氧气结合产生水，就像这样:

6 o₂+ 24小时⁺e + 24^-→12 h₂O

质子通过穿过离子交换膜，产生净正电荷，并产生电势，诱导电子沿着外部连接线流动，从而达到后半部分。瞧!电流[来源:Bennetto;Rabaey和Verstraete;邓，陈，赵］．

但是有多18新利最新登入少呢?

截至2012年，pmfc不产生太多能量，只在水生环境中起作用，像芦苇芒草(Glyceria最大值)、大米、红麦草(摘要anglica)和大芦苇(Arundo donax)[来源:邓，陈，赵；PlantPower]。如果你穿过一片pmfc田地，比如瓦赫宁根荷兰生态研究所的屋顶补丁，你永远不会知道它不仅仅是植物的集合，除了从土壤中拖出的彩色电线[来源:威廉姆斯］．

尽管如此，它们在解决其他全球可持续发展问题方面的潜在应用，包括由生物燃料在已经不堪重负的全球粮食供应系统上，继续激励着研究人员和至少一个探索性的冒险，即523万欧元的PlantPower项目[来源:邓，陈，赵；PlantPower;特南鲍姆］．

由于pmfc已经在水生植物上发挥作用，农民和村庄不必为了实施pmfc而倾倒他们的水基水稻作物。在更大的范围内，社区可以在湿地或土壤质量较差的地区建立pmfc，避免能源和粮食生产之间的土地竞争[来源:strike等人。］．像温室这样的人造设施可以全年生产能源，但农田发电量将取决于生长季节[来源:PlantPower]。

在当地生产更多能源可以通过减少对燃料运输的需求来降低碳排放，而燃料运输本身就是温室气体的主要贡献者。但这里有一个问题，而且是一个相当重要的问题:即使pmfc变得尽可能高效，它们仍然面临一个瓶颈——植物本身的光合效率和废物产生。

植物将太阳能转化为生物质能的效率低得惊人。这种转换极限部分来自于影响光合作用的量子因素，部分来自于叶绿体只吸收400-700纳米波段的光，这一波段约占入射太阳辐射的45%[来源:宫本茂］．

地球上最常见的两种光合作用植物被称为C3和C4，之所以这样命名是因为它们在CO过程中形成的第一个分子中碳原子的数量₂[来源:Seegren, Cowcer和Romeo;SERC]。包括树木在内，C3植物占地球上植物的95%，其理论转化极限最高仅为4.6%，而甘蔗和玉米等C4植物则攀升至接近6%。然而，在实践中，这些植物类18新利最新登入型中的每一种通常只能达到这些值的70%[来源:邓，陈，赵；宫本茂；SERC]。

使用pmfc，就像使用任何机器一样，在运行过程中——或者在这种情况下，在种植植物的过程中——会损失一些能量。在光合作用产生的生物量中，只有20%到达根际，其中只有30%成为微生物的食物[来源:邓，陈，赵］．

pmfc从微生物代谢中回收约9%的能量，转化为电能。总的来说，这相当于PMFC太阳能到电力的转化率接近0.017%的C3植物((4.6%转化率的70%)x 20% x 30% x 9%)和0.022%的C4植物(0.70 x 6.0 x 0.20 x 0.30 x 0.09)[来源:邓，陈，赵；宫本茂；SERC]。

事实上，一些研究人员认为，这些假设可能低估了pmfc的潜力，这对消费者来说只能是好消息。

与任何新技术一样，pmfc也面临着许多挑战;例如，他们需要一种同时有利于植物生长和能量转移的基质——这两个目标有时是不一致的。例如，两半细胞之间pH值的差异会导致电势损失，因为离子“短”穿过膜以达到化学平衡[来源:Helder等人。］．

不过，如果工程师们能够解决这些问题，pmfc将拥有巨大而多样的潜力。这一切都取决于它们能产生多少能量。18新利最新登入根据2008年的估计，这个神奇的数字大约是每年每公顷(2.5英亩)21千兆焦耳(5800千瓦时)[来源:strike等人。最近的研究估计，这个数字可能高达每公顷1000亿焦耳[来源:Strik et al.]。以下是一些事实[来源:英国石油公司；欧洲委员会]：

根据这些数字，如果美国和欧洲1%的农田被转化为pmfc，那么欧洲每年将产生3450亿焦耳(95.8亿千瓦时)的粗略估计，美国每年将产生7560亿千瓦时(209亿千瓦时)的电力。

相比之下，2010年27个欧盟国家的消费量为17.59亿美元吨油当量(TOE)在能量方面，即742亿焦耳(20.5万亿千瓦时)。TOE是国际比较的标准单位，等于一吨石油所含的能量[来源:欧洲委员会；Universcience]。

在这个简化的场景中，pmfc提供了一个非常大的能源桶中的一滴，但它是无污染的一滴，而且是由郁郁葱葱的景观产生的一滴，而不是烟雾缭绕的发电厂或砸鸟产生的一滴风力发电场．

而且，这仅仅是个开始。研究人员已经在研究更高效的垃圾吞噬细菌，在2008年至2012年期间，基质化学的进步使一些pmfc的产电量增加了一倍多。PlantPower认为，一旦完善，pmfc可以提供欧洲20%的电力一次能源——即从未转化的自然资源中获得的能源[来源:Øvergaard；PlantPower]。

pmfc必须变得更便宜和更高效，才能广泛实施，但进展正在进行中。已经有许多mfc通过使用高导电碳布而不是贵金属或昂贵的石墨毡制造电极来节省成本[来源:邓，陈，赵；斜纹软呢］．截至2012年，在实验室条件下操作一个1立方米的装置需要70美元。

当人们考虑到它们在去除污染物和减少温室气体方面的潜力时，谁知道呢?pmfc可以获得足够的投资者和政府利益，成为未来的发电厂，或者为更好的想法埋下种子[来源:邓，陈，赵］．