在湯森路透日前發布的《2014世界最具影響力的科研精英》報告中，現任職于浙江大學能源工程學院的著名科學家成少安入選環境與生態學科的“高被引科學家”。成少安的實驗室里，成千上萬受了“馴化”的細菌正在利用污水進行發電，這是全球科學家的研究熱點之一。也許不久的將來，處理污水將有一個更酷的選項——發電！

　　細菌變電池

　　成少安的實驗室擺放著幾十個比火柴盒略大的透明“盒子”，這便是細菌電池的原型。仔細看，盒子上方有兩個小孔，一個孔注入污水，一個孔則排出被細菌“消化”過后變清的水。盒子的兩側是兩塊圓形的材料，一個是陰極，一個是陽極。細菌在陽極表面生長，靠消耗廢水中的有機物新陳代謝，產生的電子則傳遞到電極上。在上面加一個載荷，就形成了電流。成少安解釋說：“細菌經過‘馴化’，就能持續地消耗廢水中的有機物，既清潔了廢水，又能發電。而且對環境來說‘零負擔’。”

　　實際上，人類很早就發現了細菌發電的原理。1910年，英國植物學家馬克·皮特以鉑作電極，放入大腸桿菌的溶液里，竟測到了微弱的電流，這便是全世界第一“塊”細菌電池。

　　科學家很快認識到，電流來自細菌體內新陳代謝產生的電子。但是，細菌電池電量十分微弱。如何讓細菌體內的電子盡可能多地跑到電極上去，這個問題長期找不到理想的答案。開發細菌電池成為一項“孤獨的研究”。

　　成少安在美國賓夕法尼亞州州立大學期間參與的科研團隊聚焦在這項研究上，并相信其具有廣闊應用前景，提出了利用細菌電池原理，用廢水發電的設想。

　　課題組從污水處理站取來污水，成少安負責實驗裝置的搭建和電極材料的研發。“在最初的可行性驗證階段，電量只有幾毫瓦，但我看到渾濁的廢水慢慢變得清澈，說明細菌在工作啦！”成少安說，那是細菌第一次帶給他“感動與信心”。

　　通過科學家的不斷開掘，現在，細菌電池每平方米電極材料產生電量已達數千毫瓦，提高了5個數量級。“當發電量噌噌噌往上漲，越來越多的科學家看到了細菌燃料電池的曙光。2005年前后，這一領域的研究熱度在全世界延伸開來。”

　　巧建“發電廠”

　　細菌電池的難點之一，是讓盡可能多的微生物附著在電極的表面，而不是在污水中自由游泳。“我們要給細菌一個舒適的環境，讓它們高效工作。”于是，電極材料的研發就成為一個重要攻關方向。

　　成少安在賓州州立大學微生物電化學實驗室工作時，發明了碳纖維陽極。從微觀看，這些碳纖維的表面非常粗糙，形成了廣闊的表面積，可供許多細菌棲息。陰極也是一個巧妙的設計：既可以滴水不漏，而空氣則可來去無阻，自由流通，提供好氧細菌所需的氧氣。這項“空氣陰極”技術的相關論文，被美國電化學通訊雜志評為該雜志最有影響的論文之一。這些實驗裝置和材料，也被全世界很多實驗室所沿用。

　　“細菌比我們想象的聰明得多。”成少安說，隨著研究的深入，生命世界的奇妙帶給了他很多的樂趣。比如，一開始課題組用一層薄膜把污水中的細菌分成厭氧、好氧兩個“房間”，但“墻壁”會令電池內部的電阻增大，影響發電效率。拆掉“墻壁”會怎樣呢？課題組發現，當細菌進入反應器一段時間之后，無需人為干預，就會自動“站隊”，形成兩個區域，好氧的細菌緊貼在空氣陰極一側，而厭氧的細菌則舒舒服服地附著在另一頭的碳材料陽極上工作。“這樣，我們的反應結構就可以簡化不少！”

　　治污前景廣

　　目前被廣泛應用的廢水處理技術本身是以消耗電能為代價的。科學家認為，細菌發電的技術一旦成熟走向應用，將改寫這種局面。

　　成少安說，就世界來看，當前的水污染處理成本所消耗的能源占到了總發電量的3%至4%。在我國，這個量就是1600億度電，相當于5000萬噸標煤。

　　“垃圾是放錯地方的資源。”成少安說，“我們通過計算得出，一個10萬人小城市的生活產生的污水用來發電的話，可以供給一千戶人家的用電量。”

　　這項技術擁有廣闊的應用前景。比如太空飛船上可以利用細菌來把尿液等轉變成可飲用的水，海洋中的潛水艇也是一樣道理。因為這是用一個高效低成本的方法解決能源問題的路徑之一。

　　成少安表示，要讓細菌發電技術走出實驗室，還需要不同領域科學家的共同努力。生物學背景的科學家從微生物角度去研究，有望通過基因改造，帶來產電活性更高的細菌類型。而從工程材料的角度，可以去研究怎樣的電極材料才能產生更大的功率。