尿越濃，電越多？科學家找到尿液發電的最佳配方

我們每天從下水道沖走的尿液，其實是個寶貝。近日，加拿大麥吉爾大學的研究人員使用一種名為微生物燃料電池的裝置，把尿液變成了電能，并且發現尿越濃，發的電越多。

它的原理是這樣的：在這套裝置里有一群吃有機物的細菌，當把尿液倒進去，細菌就開始“狂炫”。它們在分解尿液里的有機物的時候，會把電子釋放出來。這些電子沿著導線跑到另一個區間，就會和空氣中的氧氣結合，從而形成電流。整個過程既處理了污水，又發了電。

研究人員造了四個雙室微生物燃料電池，每個有500毫升的容量。他們往里面加了不同濃度的尿液，有的只占20%，有的占50%，有的高達75%。然后，他們連續監測了14天，看看哪個濃度的發電效果最好。

結果很明顯：尿液濃度越高，發電量越大。75%濃度的那組，電壓最高沖到了432.9毫伏，遠遠超過20%濃度的73.2毫伏。

為什么會這樣？研究人員使用了幾種電化學方法來尋找原因。

一種叫做循環伏安法，能夠觀察細菌在電極上的生長過程。他們發現隨著時間推移，曲線下的面積越來越大，這說明細菌在電極表面形成了一層生物膜。這層膜就像一層導電的涂層，讓電子更容易從細菌傳導到電極上。

另一種方法叫做電化學阻抗譜，用來測量電池內部的阻力。結果顯示，細菌在電極上安家之后，電阻大幅下降。50%濃度的那組，電阻從367.4歐姆降到了181.7歐姆。電阻小了，電子跑得更順暢，電流自然就大了。

（來源：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S）

那么，尿液里到底有什么好東西？研究人員分析了一下成分。尿液里95%是水，剩下的5%其實是各種寶貝。尿液里的有機物包含尿素、尿酸、肌酐，尿液里的無機鹽包含鈉、鉀、鎂、氯、鈣。這些東西對于細菌來說，就是一頓大餐。尿素分解產生的氨還能調節pH值，給細菌創造更好的生活環境。

研究人員還使用基因測序技術，看了看電池里到底住了哪些細菌。結果發現，有這樣兩個細菌家族是主角。一個叫Sediminibacterium，在50%濃度的時候最活躍。另一個叫Comamonas，到了75%濃度就會變成電池里的最強細菌。這兩種細菌都能夠分解污染物和傳遞電子。其中，Comamonas不僅能夠處理高濃度的氨氮，還能降解一些難搞的污染物。

（來源：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S）

整套實驗下來，研究人員發現了這樣一個完整的流程：尿液倒進去，細菌開始吃大餐，一邊吃一邊繁殖，從而在電極表面鋪成生物膜。這層膜讓電子傳輸更順暢，電阻下降、電壓上升。同時，尿液里的有機污染物被分解干凈，化學需氧量去除率最高能達到50%。

這套技術能用在哪里？論文提到了幾個場景。

偏遠農村沒有污水處理廠，那么就可以用它就地處理廁所廢水，順便發點電給手機充電。

在災害救援的臨時營地，可以靠它解決基本用電需求。

還有一個更有意思的用法，就是把這種電池做成生物傳感器，因為它的電信號會隨著污水濃度變化，只要測一下電壓，就能知道水臟不臟，不需要復雜的檢測設備。而研究人員所使用的循環伏安法測出的曲線，則是這種傳感功能的基礎。

其實這套思路并不新鮮，微生物燃料電池的概念已經存在幾十年了。但是，這次研究找到了最優的尿液濃度配比，還弄清楚了里面微生物是怎么工作的。

圖 | 相關論文（來源：Results in Chemistry）

而且，他們把重點放在50%到70%這個濃度區間，正好是實際場景里最容易實現的濃度。要知道，純尿液收集起來成本太高，太稀了效果太差，目前這個區間剛剛好。當然，它發的電還不算多，最多也就幾百毫伏，距離電量一個燈泡還有一定距離。但是，考慮到它的投入成本幾乎為零，那么廢物利用本身就是賺的。

參考資料：

相關論文

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211715625008719?via%3Dihub