doralam 2012-7-11 00:17
「多啦Ａ夢」真的只需吃銅鑼燒便可驅動？！
【日經BP社報導】為了實現可利用微生物的「微生物燃料電池」及「微生物太陽能電池」，日本科學
技術振興機構（JST）的「橋本光能源轉換系統項目」正在積極推進研發，由東京大學尖端科學技術
研究中心教授橋本和仁擔任項目負責人。
或許有人曾感到疑惑，為何機器貓多啦Ａ夢吃銅鑼燒就能活動？不過，如果說多啦Ａ夢是利用「微生
物燃料電池」在活動，那就能夠理解了。
微生物燃料電池正如其名，是指使用微生物發電的燃料電池。
實際上，地球上存活著各種各樣的微生物。其中有些微生物在攝入有機物、將其分解並獲得能源時，
會產生電流。這種微生物被稱為「產電菌」。微生物燃料電池就是使用這種微生物發電。
目前，為了加快微生物燃料電池的實用化，以及在將來最終實現「微生物太陽能電池」，由東京大
學尖端科學技術研究中心教授橋本和仁擔任項目負責人的日本科學技術振興機構（JST）的「橋本
光能源轉換系統項目」正在積極推進研發。
餌料是廚余垃圾及啤酒工廠的廢水等
實際上，在大約100年前，產電菌的存在就已為人知。而且，這是一種無論地下還是水中，隨處可見
的生物。因此，此前人們曾多次嘗試使用產電菌發電。但由於電流密度較低，因此沒有實現實用化。
不過，近年來，隨著以遺傳工程學為代表的分子生物學的迅速發展，以美國為中心，微生物燃料電池
的研發突然開始活躍起來。通過改變產電菌的基因來提高電流密度，產生更多電流。因此，目前微生
物燃料電池距離實用化已僅有一步之遙。靠吃銅鑼燒來提供能量的機器貓也將不再僅僅是科幻故事。
任何有機物都可以作為產電菌的「餌料」，比如，廚余垃圾及啤酒工廠和染色工廠的廢水等。在產生
電流的同時，有機物會被分解，廢水能夠得到凈化，因此還有望用於廢水處理裝置及污水處理裝置。
日本目前在污水凈化領域也在利用微生物。不過，現有方法需要向微生物提供氧，其用電量相當於總
用電量的1％左右。而且，使用後的微生物作為垃圾被廢棄及焚燒處理。廢棄量每年高達幾億噸。
不過，產電菌並不需要氧。因此，如果在該領域採用微生物燃料電池，不但不會耗費電力，反而能夠
在發電的同時，對污水進行凈化，而且可大幅削減垃圾量。這簡直就是一舉「三」得。
「不過，改變基因是一種不符合『與自然共生』理念的做法。我們將致力於開發不改變基因的微生物
燃料電池」，橋本教授這樣說道。
原先專業是研究太陽能電池及光觸媒轉換器等光功能材料的橋本教授開始致力於研發微生物燃料電池
是在2006年。
他編製了微生物燃料電池相關研究計劃書，以「橋本光能源轉換系統項目」應徵2006年度日本科學
技術振興機構（JST）的戰略性創造研究推進事業（ERATO），並得到採納。
發電量達到最初的幾百倍
不過，要開發微生物燃料電池，除了電化學等，微生物學及分子生物學的相關專業知識也是不可或缺的
。因此，橋本教授邀請在東京大學微生物燃料電池研討會上結識的渡邊一哉特聘副教授共同進行研究。
當時在海洋生物技術研究所擔任主任研究員的渡邊特聘副教授的專業領域是應用微生物學。因為覺得
或許可以使用微生物造福人類，因此便開始研究微生物燃料電池。他自己也在研究中覺得需要關於提
高發電效率的電化學的知識。因此橋本教授發來的邀請恰是時候。
自項目開始實施已經整整過了4年時間。專業是光化學、電化學的橋本教授等的研究小組與專業為微
生物學的渡邊特聘副教授等通過共同研究，順利取得不少研究成果。
特別是最重要的發電量，通過改善電極及改進微生物的生存狀態，成功提高到了原先的幾百倍。
在微生物燃料電池中，如果為產電菌提供有機物，最初電流量會迅速增加。不過，到達一定程度之後
，無論再提供多少有機物，即使產電菌增加，電流量也不會提高。
其原因在於電極面積有限。產電菌貼在電極上，將多餘電子轉移到電極上，從而產生電流。因此，在
電極被產電菌覆蓋之後，距離電極較遠的產電菌便無法將電子轉移到電極上。
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[color=blue]橋本教授等正在開發的微生物燃料電池[/color]
因此，對於橋本教授和渡邊特聘副教授來說，怎樣能使更多的產電菌將電子轉移到電極上，是最重要的課題。
首先，專業是電化學的橋本教授研究團隊提出了改善電極提案。在電極表面使用碳奈米管進行處理，使之能
高效傳遞電子。結果發電量提高到了原先的10倍。
另一方面，渡邊特聘副教授在「與自然共生」的理念下，決定恢復產電菌的自然生存環境。他們認為，實驗
設備這一環境對於產電菌來說，就像被圈禁在動物園的籠子中。如果為其創造接近自然的環境，應該能找到
一些意想不到的突破口。
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[color=blue]貼在電極上的產電菌[/color]
比如，作為代表性產電菌的希瓦氏菌（Shewanella）的生存區域位於深海海底火山的地殼中。因此，渡邊
特聘副教授注意到，從深海中採集希瓦氏菌時，必定附著有氧化鐵和硫化鐵。因此便在產電菌培養液中加入
氧化鐵，之後發電量迅速攀升到了最初的50倍。
「這是因為，氧化鐵能夠作為產電菌交換電子的網路發揮作用」，渡邊特聘副教授解釋道。產電菌通過氧化
鐵連結在一起，相互傳遞電子。
經過反覆摸索，橋本教授等在不改變基因的情況下，成功從1立方米的實驗裝置中獲得了130瓦特的電力。
橋本教授自信地表示：「看到這個實驗結果之後，我確信我們『與自然共生』的理念沒有錯。」
據橋本教授等估算，如果要使微生物燃料電池在家用領域投入實用，至少需要能產生1000瓦特的電力。預
計在3～5年以內可實現實用化。
力爭實現「微生物太陽能電池」
不過，橋本教授力爭實現實用化的，實際上是比微生物燃料電池更具未來性的「微生物太陽能電池」。
微生物太陽能電池正如其名字一樣，是指利用微生物將太陽能轉換為電能的裝置。
植物及浮游植物是通過光合作用，借助太陽能，利用二氧化碳和水製造有機物。因此，以微生物燃料電池
為基礎，橋本教授想到了可直接利用進行光合作用的微生物的微生物太陽能電池。
橋本教授認為，如果微生物太陽能電池得以實現，或許便可使用湖沼等中大量出現、給我們造成很大困擾
的「藍藻」進行發電，或者利用水田發電。
不過，目前並未發現可將光能直接轉換為電的微生物。因此，橋本教授打算通過組合使用多種微生物等
「組合技術」予以實現。
現在，橋本教授等正在嘗試兩個方法。
第一個是，組合使用多種微生物的方法。在微生物中，有些是利用光線進行光合作用，製造有機物。如果
將這些有機物作為產電菌的餌料，便可間接地利用太陽能產生電力。
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[color=blue]正在進行研發的微生物太陽能電池。預計實現實用化還需要幾十年時間。[/color]
可進行光合作用的代表性微生物實際上就是藍藻。藍藻借助陽光迅速繁殖，破壞了湖沼周圍的生態系統，
已經在全球各地成為亟需解決的課題。因此，如果使藍藻和產電菌共同在湖沼中生存，並設置電極，湖沼
便會搖身一變成為微生物太陽能電池。
第二個是「水田發電」。嘗試將水稻進行光合作用時根部排放的有機物作為產電菌的餌料。
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[color=blue]水田發電實驗[/color]
實際上，橋本教授是將陰極插入水田的泥中，陽極置於水面，白天水稻能照射到太陽光時會產生電流。不
過目前發電效率僅為0.01％，遠遠比不上已經達到10％左右的市售太陽能電池。
「但是如果能夠達到相當於現在100倍的1％，便有望實現實用化。這是因為，與屋頂相比，水田的面積
要大得多」，橋本教授明快地說道。
關於微生物太陽能電池，目前依然處於構思及基礎研究階段。不過，橋本教授認為，從得以證明了能夠以
原有狀態利用大自然、將太陽能轉換為電能這一點來說，上述舉措意義深遠。
「這是因為，我們認為，要回收在背離大自然的情況下發展起來的20世紀科學所產生的「負遺產」，必須
構建貼近自然的科學、與自然共生的科學。」
橋本教授將重心轉移到開發使用微生物的電池上，主要原因在於對20世紀科學的反省和強烈的危機意識。
（《日經商務在線》特約撰稿人：山田久美）【日經能源環境網】