“種”一臺發電機

編譯 葛興芳

“種”一臺發電機

編譯 葛興芳

如果這項技術取得成功，它將徹底改變我們的生活——無論是在沼澤地里，還是在長滿雜草的溝渠中，抑或在破舊的瓦罐中，植物都能發電。

2006年的一天，美國發明家戈登·瓦爾德在一棵樹的樹干上釘了一根鋁釘，在樹下的土壤里插入一個銅電極，然后用導線將鋁釘和電極連接起來形成回路，結果他檢測到回路中有電流通過。他申請了專利，并與波士頓一家小型電子公司合作，開始探索如何獲得在這個過程中產生的電流的方法。

人類一直都從地底挖煤，通過燃燒煤發電來提供能源。但新的研究發現，活體植物同樣也蘊藏著發電的潛能。目前，科學家正在研究如何利用植物發電。有人已經開發出了以樹木為動力的傳感器，用來監測森林的溫度和濕度，以預警火災；還有人則看到了植物發電的另一種潛能——小草、蘆葦等植物根系釋放的電子?？茖W家認為，如果植物發電開發成功，將為全球近15億還沒有供電的居民提供一種可靠的電能來源，而且植物發電還可以幫助減少濕地和稻田中導致氣候變暖的甲烷的排放，因而比太陽能發電和風能發電更加綠色。

我們真的能利用植物發電嗎？有人表示懷疑，物理學家安德里亞·莫森就是其中之一。莫森認為，只要簡單地用導體連接兩塊金屬，就會有電子從一塊金屬流向另一塊金屬。不過，他很快改變了看法。他用無花果盆栽做實驗，結果發現，即使兩個電極都是用相同的金屬制成的，回路中仍有較小的電流產生。其原理是，氫離子在這個過程中起了作用——氫離子的濃度在土壤中比在樹干液體中略多一些，這足以導致產生一小股電流從樹干流經電線到達土壤。

不過，利用樹木發電的前景似乎并不樂觀。樹木并不能產生人們所期望的那么多的電流，并且這個系統也不能在實際應用中放大，因為如果增加更多的傳感器，就需要更多的電流，而這遠遠超過了樹木所能提供的。

植物發電的故事就此結束了嗎？沒有。在瓦爾德往樹干上釘釘子的時候，荷蘭瓦赫寧根大學的伯特·哈姆勒斯也沒閑著。

哈姆勒斯的研究方向是微生物燃料電池。他設想：利用植物根系中的微生物制造一種特殊的燃料電池。

傳統燃料電池的工作原理是：將氧和氫等燃料結合產生水和電子，然后利用鉑等貴重金屬制成的電極對來帶走氫釋放的電子。哈姆勒斯的做法是：用活體微生物中的酶代替傳統燃料電池中的金屬電極。這在利用浮游生物和生活污水中的微生物處理有機物的實驗中已經取得了成功，但前提是必須持續供給能提供電子的燃料。哈姆勒斯聯想到了植物的根系：由光合作用產生的碳水化合物及其他有機物，很多都是從植物根部釋放的，而用微生物分解這些有機物，就可以釋放自由的電子。

樹木顯然不是首選，因為樹木的根太大，而且扎得太深，不容易布設線路。此外，在微生物分解碳水化合物時，需要將電子傳遞給氧，才能產生水和二氧化碳，但土壤中往往不能提供足夠的氧。不過，哈姆勒斯發現，如果是在缺氧的水漬土壤中情形就不一樣了：厭氧菌將有機物分解，產生二氧化碳、游離的質子和電子。通常這些電子和土壤中的硫酸鹽和硝酸鹽結合。哈姆勒斯設想，如果給這些微生物產生的電子安置上合適的電極，或許就可以將這些電子收集起來并直接轉移出去。于是，哈姆勒斯和瓦赫寧根大學的環境生物科學家大衛·斯特克一起，開始利用長在氧氣稀薄的鹽堿沼澤中的水草和蘆葦等淺根植物做實驗。

最初的研究結果并不理想，僅僅產生了幾毫瓦的電量。但現在實驗室內每平方米植物可以產生200毫瓦的電量。也許再過兩年，就能增加到每平方米500毫瓦。按照這個水平，每16平方米植物產生的電量就可以為一部手機充電。

這將是一個很大的進步。不過，這點電量還遠遠不能滿足一個家庭的用電需求。而且在北歐，太陽能或風能發電量目前已達到每平方米4～7.7瓦，在植物發電沒有完善之前，太陽能或風能發電仍是首選。研究者認為，如果想讓植物發電在能量市場上具有競爭力，對電流強度的要求至少是目前的10~100倍。

盡管如此，研究人員并沒有放棄利用植物發電的努力。包括植物學家、微生物學家和工程師等在內的一些研究人員加入了比利時根特大學的植物發電研究項目。該項目獲得400萬歐元資助，目的是增加燃料電池的發電功率，達到每平方米3.2瓦的輸出功率，最終將微生物燃料電池推向市場。

要完成這個宏偉的目標，研究者還有很多工作需要做。首先，必須尋找到能在土壤中分泌更多有機物的植物品種，諸如甜菜之類的植物是最合適的，它們可以將7%的太陽能轉化為糖；其次，必須找到土壤中的微生物最適合的混合配比，包括分解有機物的微生物和釋放電子的微生物的比例，以達到最大的發電功率。

電極的設計是燃料電池發電的關鍵。研究人員使用混有石墨顆粒的泥漿作為陽極，植物的根生長在其中。但這種電極傳遞電子到負極的速度要比電子在負極氧化的速度快，這樣就限制了電池的輸出功率。為此，研究人員給負極提供適當比例的微生物，幫助其更快地將電子、質子和氧變成水。

研究人員經計算得出：一種屋頂植物發電系統每年每平方米可以產生14千瓦小時的電量。考慮到荷蘭家庭年平均耗電量是3500千瓦小時，50平方米這樣的屋頂就可以滿足一個家庭20%的用電需求。而且，發電植物不僅能夠提供照明電量，還具有綠色屋頂的其他優點，如隔熱、儲備雨水和野生動物的城市棲息地等。研究人員認為，這項技術最適宜應用在河邊或海邊的沼澤地帶，在那里既可以發電又不破壞景觀。和傳統的太陽能發電不同，植物發電在黑暗中也能進行。只要不妨礙植物生長，植物發電可以在任何適合的農田里發揮作用。

水稻田排出的甲烷占世界總排放量的20%。

未來的綠色屋頂植物可以部分滿足家庭用電需求。

植物發電的意義還在于可以在艱難應對全球變暖的過程中發揮重要的作用。適合水稻和蘆葦等植物生長的厭氧環境也是某些厭氧細菌生活的基本環境，這類細菌分解有機物，釋放電子，產生甲烷（一種潛在的溫室氣體）。水稻田排出的甲烷占世界總量的20%。而在土壤中放置一個陽極，就可以有效捕獲這些電子用于發電，同時還可以減少甲烷的產生。

斯特克等人現在移植了一株香蕉樹到含有石墨顆粒電極的土壤里，想把它做成一個活體植物充電器。這樣做多少有點寓娛樂于科研。斯特克認為，一旦這株植物能夠發電，這項設計將會被推向市場，那時你就會看到給手機充電的香蕉樹。