尿越浓，电越多？科学家找到尿液发电的最佳配方

我们每天从下水道冲走的尿液，其实是个宝贝。近日，加拿大麦吉尔大学的研究人员使用一种名为微生物燃料电池的装置，把尿液变成了电能，并且发现尿越浓，发的电越多。

它的原理是这样的：在这套装置里有一群吃有机物的细菌，当把尿液倒进去，细菌就开始“狂炫”。它们在分解尿液里的有机物的时候，会把电子释放出来。这些电子沿着导线跑到另一个区间，就会和空气中的氧气结合，从而形成电流。整个过程既处理了污水，又发了电。

研究人员造了四个双室微生物燃料电池，每个有500毫升的容量。他们往里面加了不同浓度的尿液，有的只占20%，有的占50%，有的高达75%。然后，他们连续监测了14天，看看哪个浓度的发电效果最好。

结果很明显：尿液浓度越高，发电量越大。75%浓度的那组，电压最高冲到了432.9毫伏，远远超过20%浓度的73.2毫伏。

为什么会这样？研究人员使用了几种电化学方法来寻找原因。

一种叫做循环伏安法，能够观察细菌在电极上的生长过程。他们发现随着时间推移，曲线下的面积越来越大，这说明细菌在电极表面形成了一层生物膜。这层膜就像一层导电的涂层，让电子更容易从细菌传导到电极上。

另一种方法叫做电化学阻抗谱，用来测量电池内部的阻力。结果显示，细菌在电极上安家之后，电阻大幅下降。50%浓度的那组，电阻从367.4欧姆降到了181.7欧姆。电阻小了，电子跑得更顺畅，电流自然就大了。

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

那么，尿液里到底有什么好东西？研究人员分析了一下成分。尿液里95%是水，剩下的5%其实是各种宝贝。尿液里的有机物包含尿素、尿酸、肌酐，尿液里的无机盐包含钠、钾、镁、氯、钙。这些东西对于细菌来说，就是一顿大餐。尿素分解产生的氨还能调节pH值，给细菌创造更好的生活环境。

研究人员还使用基因测序技术，看了看电池里到底住了哪些细菌。结果发现，有这样两个细菌家族是主角。一个叫Sediminibacterium，在50%浓度的时候最活跃。另一个叫Comamonas，到了75%浓度就会变成电池里的最强细菌。这两种细菌都能够分解污染物和传递电子。其中，Comamonas不仅能够处理高浓度的氨氮，还能降解一些难搞的污染物。

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

整套实验下来，研究人员发现了这样一个完整的流程：尿液倒进去，细菌开始吃大餐，一边吃一边繁殖，从而在电极表面铺成生物膜。这层膜让电子传输更顺畅，电阻下降、电压上升。同时，尿液里的有机污染物被分解干净，化学需氧量去除率最高能达到50%。

这套技术能用在哪里？论文提到了几个场景。

偏远农村没有污水处理厂，那么就可以用它就地处理厕所废水，顺便发点电给手机充电。

在灾害救援的临时营地，可以靠它解决基本用电需求。

还有一个更有意思的用法，就是把这种电池做成生物传感器，因为它的电信号会随着污水浓度变化，只要测一下电压，就能知道水脏不脏，不需要复杂的检测设备。而研究人员所使用的循环伏安法测出的曲线，则是这种传感功能的基础。

其实这套思路并不新鲜，微生物燃料电池的概念已经存在几十年了。但是，这次研究找到了最优的尿液浓度配比，还弄清楚了里面微生物是怎么工作的。

图 | 相关论文（来源：Results in Chemistry）

而且，他们把重点放在50%到70%这个浓度区间，正好是实际场景里最容易实现的浓度。要知道，纯尿液收集起来成本太高，太稀了效果太差，目前这个区间刚刚好。当然，它发的电还不算多，最多也就几百毫伏，距离电量一个灯泡还有一定距离。但是，考虑到它的投入成本几乎为零，那么废物利用本身就是赚的。

参考资料：

相关论文

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