“多啦Ａ梦”真的只需吃铜锣烧便可驱动？！
——探秘微生物太阳能电池

导言：或许有人曾感到疑惑，为何机器猫多啦Ａ梦吃铜锣烧就能活动？不过，如果说多啦Ａ梦是利用“微生物燃料电池”在活动，那就能够理解了。 为了实现可利用微生物的“微生物燃料电池”及“微生物太阳能电池”，日本科学技术振兴机构（JST）的“桥本光能源转换系统项目”正在积极推进研发，请看东京大学尖端科学技术研究中心教授桥本和仁的解密……

微生物燃料电池正如其名，是指使用微生物发电的燃料电池。

实际上，地球上存活着各种各样的微生物。其中有些微生物在摄入有机物、将其分解并获得能源时，会产生电流。这种微生物被称为“产电菌”。微生物燃料电池就是使用这种微生物发电。

为加快微生物燃料电池的实用化，及在将来最终实现“微生物太阳能电池”，由东京大学尖端科学技术研究中心教授桥本和仁担任项目负责人的日本科学技术振兴机构（JST）的“桥本光能源转换系统项目”正在积极推进研发。

                                                          

饵料是厨余垃圾及啤酒工厂的废水等

实际上，在大约100年前，产电菌的存在就已为人知。而且，这是一种无论地下还是水中，随处可见的生物。因此，此前人们曾多次尝试使用产电菌发电。但由于电流密度较低，因此没有实现实用化。

不过，近年来，随着以遗传工程学为代表的分子生物学的迅速发展，以美国为中心，微生物燃料电池的研发突然开始活跃起来。通过改变产电菌的基因来提高电流密度，产生更多电流。因此，目前微生物燃料电池距离实用化已仅有一步之遥。靠吃铜锣烧来提供能量的机器猫也将不再仅仅是科幻故事。

任何有机物都可以作为产电菌的“饵料”，比如，厨余垃圾及啤酒工厂和染色工厂的废水等。在产生电流的同时，有机物会被分解，废水能够得到净化，因此还有望用于废水处理装置及污水处理装置。

日本目前在污水净化领域也在利用微生物。不过，现有方法需要向微生物提供氧，其用电量相当于总用电量的1％左右。而且，使用后的微生物作为垃圾被废弃及焚烧处理。废弃量每年高达几亿吨。

不过，产电菌并不需要氧。因此，如果在该领域采用微生物燃料电池，不但不会耗费电力，反而能够在发电的同时，对污水进行净化，而且可大幅削减垃圾量。这简直就是一举“三”得。

“不过，改变基因是一种不符合‘与自然共生’理念的做法。我们将致力于开发不改变基因的微生物燃料电池”，桥本教授这样说道。

原先专业是研究太阳能电池及光催化剂等光功能材料的桥本教授开始致力于研发微生物燃料电池是在2006年。

他编制了微生物燃料电池相关研究计划书，以“桥本光能源转换系统项目”应征2006年度日本科学技术振兴机构（JST）的战略性创造研究推进事业（ERATO），并得到采纳。

发电量达到最初的几百倍


发电量达到最初的几百倍

不过，要开发微生物燃料电池，除了电化学等，微生物学及分子生物学的相关专业知识也是不可或缺的。因此，桥本教授邀请在东京大学微生物燃料电池研讨会上结识的渡边一哉特聘副教授共同进行研究。

当时在海洋生物技术研究所担任主任研究员的渡边特聘副教授的专业领域是应用微生物学。因为觉得或许可以使用微生物造福人类，因此便开始研究微生物燃料电池。他自己也在研究中觉得需要关于提高发电效率的电化学的知识。因此桥本教授发来的邀请恰是时候。

自项目开始实施已经整整过了4年时间。专业是光化学、电化学的桥本教授等的研究小组与专业为微生物学的渡边特聘副教授等通过共同研究，顺利取得不少研究成果。

特别是最重要的发电量，通过改善电极及改进微生物的生存状态，成功提高到了原先的几百倍。

在微生物燃料电池中，如果为产电菌提供有机物，最初电流量会迅速增加。不过，到达一定程度之后，无论再提供多少有机物，即使产电菌增加，电流量也不会提高。

其原因在于电极面积有限。产电菌贴在电极上，将多余电子转移到电极上，从而产生电流。因此，在电极被产电菌覆盖之后，距离电极较远的产电菌便无法将电子转移到电极上。

因此，对于桥本教授和渡边特聘副教授来说，怎样能使更多的产电菌将电子转移到电极上，是最重要的课题。

首先，专业是电化学的桥本教授研究团队提出了改善电极提案。在电极表面使用碳纳米管进行处理，使之能高效传递电子。结果发电量提高到了原先的10倍。

另一方面，渡边特聘副教授在“与自然共生”的理念下，决定恢复产电菌的自然生存环境。他们认为，实验设备这一环境对于产电菌来说，就像被圈禁在动物园的笼子中。如果为其创造接近自然的环境，应该能找到一些意想不到的突破口。

比如，作为代表性产电菌的希瓦氏菌（Shewanella）的生存区域位于深海海底火山的地壳中。因此，渡边特聘副教授注意到，从深海中采集希瓦氏菌时，必定附着有氧化铁和硫化铁。因此便在产电菌培养液中加入氧化铁，之后发电量迅速攀升到了最初的50倍。

“这是因为，氧化铁能够作为产电菌交换电子的网络发挥作用”，渡边特聘副教授解释道。产电菌通过氧化铁连结在一起，相互传递电子。

经过反复摸索，桥本教授等在不改变基因的情况下，成功从1立方米的实验装置中获得了130瓦特的电力。

桥本教授自信地表示：“看到这个实验结果之后，我确信我们‘与自然共生’的理念没有错。”

据桥本教授等估算，如果要使微生物燃料电池在家用领域投入实用，至少需要能产生1000瓦特的电力。预计在3～5年以内可实现实用化。

力争实现“微生物太阳能电池”

不过，桥本教授力争实现实用化的，实际上是比微生物燃料电池更具未来性的“微生物太阳能电池”。

微生物太阳能电池正如其名字一样，是指利用微生物将太阳能转换为电能的装置。

植物及浮游植物是通过光合作用，借助太阳能，利用二氧化碳和水制造有机物。因此，以微生物燃料电池为基础，桥本教授想到了可直接利用进行光合作用的微生物的微生物太阳能电池。

桥本教授认为，如果微生物太阳能电池得以实现，或许便可使用湖沼等中大量出现、给我们造成很大困扰的“蓝藻”进行发电，或者利用水田发电。

不过，目前并未发现可将光能直接转换为电的微生物。因此，桥本教授打算通过组合使用多种微生物等“组合技术”予以实现。

现在，桥本教授等正在尝试两个方法。

第一个是，组合使用多种微生物的方法。在微生物中，有些是利用光线进行光合作用，制造有机物。如果将这些有机物作为产电菌的饵料，便可间接地利用太阳能产生电力。


可进行光合作用的代表性微生物实际上就是蓝藻。蓝藻借助阳光迅速繁殖，破坏了湖沼周围的生态系统，已经在全球各地成为亟需解决的课题。因此，如果使蓝藻和产电菌共同在湖沼中生存，并设置电极，湖沼便会摇身一变成为微生物太阳能电池。

第二个是“水田发电”。尝试将水稻进行光合作用时根部排放的有机物作为产电菌的饵料。



水田发电实验

 

 
水田发电实验

实际上，桥本教授是将阴极插入水田的泥中，阳极置于水面，白天水稻能照射到太阳光时会产生电流。不过目前发电效率仅为0.01％，远远比不上已经达到10％左右的市售太阳能电池。

“但是如果能够达到相当于现在100倍的1％，便有望实现实用化。这是因为，与屋顶相比，水田的面积要大得多”，桥本教授明快地说道。

关于微生物太阳能电池，目前依然处于构思及基础研究阶段。不过，桥本教授认为，从得以证明了能够以原有状态利用大自然、将太阳能转换为电能这一点来说，上述举措意义深远。

“这是因为，我们认为，要回收在背离大自然的情况下发展起来的20世纪科学所产生的“负遗产”，必须构建贴近自然的科学、与自然共生的科学。”

桥本教授将重心转移到开发使用微生物的电池上，主要原因在于对20世纪科学的反省和强烈的危机意识。