“种”一台发电机

编译 葛兴芳

“种”一台发电机

编译 葛兴芳

如果这项技术取得成功，它将彻底改变我们的生活——无论是在沼泽地里，还是在长满杂草的沟渠中，抑或在破旧的瓦罐中，植物都能发电。

2006年的一天，美国发明家戈登·瓦尔德在一棵树的树干上钉了一根铝钉，在树下的土壤里插入一个铜电极，然后用导线将铝钉和电极连接起来形成回路，结果他检测到回路中有电流通过。他申请了专利，并与波士顿一家小型电子公司合作，开始探索如何获得在这个过程中产生的电流的方法。

人类一直都从地底挖煤，通过燃烧煤发电来提供能源。但新的研究发现，活体植物同样也蕴藏着发电的潜能。目前，科学家正在研究如何利用植物发电。有人已经开发出了以树木为动力的传感器，用来监测森林的温度和湿度，以预警火灾；还有人则看到了植物发电的另一种潜能——小草、芦苇等植物根系释放的电子。科学家认为，如果植物发电开发成功，将为全球近15亿还没有供电的居民提供一种可靠的电能来源，而且植物发电还可以帮助减少湿地和稻田中导致气候变暖的甲烷的排放，因而比太阳能发电和风能发电更加绿色。

我们真的能利用植物发电吗？有人表示怀疑，物理学家安德里亚·莫森就是其中之一。莫森认为，只要简单地用导体连接两块金属，就会有电子从一块金属流向另一块金属。不过，他很快改变了看法。他用无花果盆栽做实验，结果发现，即使两个电极都是用相同的金属制成的，回路中仍有较小的电流产生。其原理是，氢离子在这个过程中起了作用——氢离子的浓度在土壤中比在树干液体中略多一些，这足以导致产生一小股电流从树干流经电线到达土壤。

不过，利用树木发电的前景似乎并不乐观。树木并不能产生人们所期望的那么多的电流，并且这个系统也不能在实际应用中放大，因为如果增加更多的传感器，就需要更多的电流，而这远远超过了树木所能提供的。

植物发电的故事就此结束了吗？没有。在瓦尔德往树干上钉钉子的时候，荷兰瓦赫宁根大学的伯特·哈姆勒斯也没闲着。

哈姆勒斯的研究方向是微生物燃料电池。他设想：利用植物根系中的微生物制造一种特殊的燃料电池。

传统燃料电池的工作原理是：将氧和氢等燃料结合产生水和电子，然后利用铂等贵重金属制成的电极对来带走氢释放的电子。哈姆勒斯的做法是：用活体微生物中的酶代替传统燃料电池中的金属电极。这在利用浮游生物和生活污水中的微生物处理有机物的实验中已经取得了成功，但前提是必须持续供给能提供电子的燃料。哈姆勒斯联想到了植物的根系：由光合作用产生的碳水化合物及其他有机物，很多都是从植物根部释放的，而用微生物分解这些有机物，就可以释放自由的电子。

树木显然不是首选，因为树木的根太大，而且扎得太深，不容易布设线路。此外，在微生物分解碳水化合物时，需要将电子传递给氧，才能产生水和二氧化碳，但土壤中往往不能提供足够的氧。不过，哈姆勒斯发现，如果是在缺氧的水渍土壤中情形就不一样了：厌氧菌将有机物分解，产生二氧化碳、游离的质子和电子。通常这些电子和土壤中的硫酸盐和硝酸盐结合。哈姆勒斯设想，如果给这些微生物产生的电子安置上合适的电极，或许就可以将这些电子收集起来并直接转移出去。于是，哈姆勒斯和瓦赫宁根大学的环境生物科学家大卫·斯特克一起，开始利用长在氧气稀薄的盐碱沼泽中的水草和芦苇等浅根植物做实验。

最初的研究结果并不理想，仅仅产生了几毫瓦的电量。但现在实验室内每平方米植物可以产生200毫瓦的电量。也许再过两年，就能增加到每平方米500毫瓦。按照这个水平，每16平方米植物产生的电量就可以为一部手机充电。

这将是一个很大的进步。不过，这点电量还远远不能满足一个家庭的用电需求。而且在北欧，太阳能或风能发电量目前已达到每平方米4～7.7瓦，在植物发电没有完善之前，太阳能或风能发电仍是首选。研究者认为，如果想让植物发电在能量市场上具有竞争力，对电流强度的要求至少是目前的10~100倍。

尽管如此，研究人员并没有放弃利用植物发电的努力。包括植物学家、微生物学家和工程师等在内的一些研究人员加入了比利时根特大学的植物发电研究项目。该项目获得400万欧元资助，目的是增加燃料电池的发电功率，达到每平方米3.2瓦的输出功率，最终将微生物燃料电池推向市场。

要完成这个宏伟的目标，研究者还有很多工作需要做。首先，必须寻找到能在土壤中分泌更多有机物的植物品种，诸如甜菜之类的植物是最合适的，它们可以将7%的太阳能转化为糖；其次，必须找到土壤中的微生物最适合的混合配比，包括分解有机物的微生物和释放电子的微生物的比例，以达到最大的发电功率。

电极的设计是燃料电池发电的关键。研究人员使用混有石墨颗粒的泥浆作为阳极，植物的根生长在其中。但这种电极传递电子到负极的速度要比电子在负极氧化的速度快，这样就限制了电池的输出功率。为此，研究人员给负极提供适当比例的微生物，帮助其更快地将电子、质子和氧变成水。

研究人员经计算得出：一种屋顶植物发电系统每年每平方米可以产生14千瓦小时的电量。考虑到荷兰家庭年平均耗电量是3500千瓦小时，50平方米这样的屋顶就可以满足一个家庭20%的用电需求。而且，发电植物不仅能够提供照明电量，还具有绿色屋顶的其他优点，如隔热、储备雨水和野生动物的城市栖息地等。研究人员认为，这项技术最适宜应用在河边或海边的沼泽地带，在那里既可以发电又不破坏景观。和传统的太阳能发电不同，植物发电在黑暗中也能进行。只要不妨碍植物生长，植物发电可以在任何适合的农田里发挥作用。

水稻田排出的甲烷占世界总排放量的20%。

未来的绿色屋顶植物可以部分满足家庭用电需求。

植物发电的意义还在于可以在艰难应对全球变暖的过程中发挥重要的作用。适合水稻和芦苇等植物生长的厌氧环境也是某些厌氧细菌生活的基本环境，这类细菌分解有机物，释放电子，产生甲烷（一种潜在的温室气体）。水稻田排出的甲烷占世界总量的20%。而在土壤中放置一个阳极，就可以有效捕获这些电子用于发电，同时还可以减少甲烷的产生。

斯特克等人现在移植了一株香蕉树到含有石墨颗粒电极的土壤里，想把它做成一个活体植物充电器。这样做多少有点寓娱乐于科研。斯特克认为，一旦这株植物能够发电，这项设计将会被推向市场，那时你就会看到给手机充电的香蕉树。