加拿大麥吉爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)近日取得一項(xiàng)突破性成果：他們利用微生物燃料電池技術(shù)，成功將人類(lèi)尿液轉(zhuǎn)化為電能，并發(fā)現(xiàn)尿液濃度與發(fā)電效率呈正相關(guān)。這項(xiàng)研究不僅為污水處理提供了新思路，還為偏遠(yuǎn)地區(qū)能源供應(yīng)開(kāi)辟了可能性。

實(shí)驗(yàn)裝置的核心是一組雙室微生物燃料電池，每個(gè)容量500毫升。研究人員分別向四個(gè)電池中注入濃度為20%、50%、75%的尿液溶液，并持續(xù)監(jiān)測(cè)14天的發(fā)電表現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，75%濃度組的電壓峰值達(dá)到432.9毫伏，是20%濃度組（73.2毫伏）的近6倍。這種差異源于高濃度尿液為微生物提供了更豐富的有機(jī)物，促進(jìn)了電子傳遞效率。

通過(guò)電化學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)揭示了發(fā)電效率提升的機(jī)制。循環(huán)伏安法檢測(cè)顯示，細(xì)菌在電極表面形成生物膜后，曲線面積顯著增大，表明電子傳導(dǎo)通道增多。電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)則證實(shí)，生物膜使電池內(nèi)阻大幅下降——50%濃度組的電阻從367.4歐姆降至181.7歐姆，電子流動(dòng)阻力減少約50%。這種雙重效應(yīng)共同推動(dòng)了電流增強(qiáng)。

尿液的化學(xué)組成是這項(xiàng)技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。雖然尿液中95%是水，但剩余5%包含尿素、尿酸、肌酐等有機(jī)物，以及鈉、鉀、鎂等無(wú)機(jī)鹽。這些成分不僅為微生物提供營(yíng)養(yǎng)，尿素分解產(chǎn)生的氨還能調(diào)節(jié)環(huán)境pH值，創(chuàng)造適宜的生存條件。基因測(cè)序進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，Sediminibacterium和Comamonas兩個(gè)細(xì)菌家族在發(fā)電過(guò)程中起主導(dǎo)作用，其中Comamonas在高濃度環(huán)境中表現(xiàn)出更強(qiáng)的污染物降解能力。

整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程形成閉環(huán)系統(tǒng)：尿液進(jìn)入電池后，微生物分解有機(jī)物并釋放電子，電子通過(guò)導(dǎo)線傳輸至另一極與氧氣結(jié)合形成電流，同時(shí)完成污水凈化。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)對(duì)化學(xué)需氧量的去除率最高可達(dá)50%，有效降低了水體污染負(fù)荷。

這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。在缺乏集中污水處理設(shè)施的偏遠(yuǎn)農(nóng)村，它可同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水處理和基礎(chǔ)供電；災(zāi)害救援臨時(shí)營(yíng)地中，該裝置能提供照明或手機(jī)充電等應(yīng)急能源；更獨(dú)特的是，通過(guò)監(jiān)測(cè)電池電壓變化，可快速評(píng)估污水濃度，為水質(zhì)檢測(cè)提供低成本解決方案。研究團(tuán)隊(duì)特別指出，50%-70%的尿液濃度區(qū)間具有最佳性?xún)r(jià)比——純尿液收集成本過(guò)高，稀釋溶液效果不足，而這一濃度范圍既符合實(shí)際場(chǎng)景，又能保持較高發(fā)電效率。

盡管當(dāng)前輸出電壓僅數(shù)百毫伏，尚不足以驅(qū)動(dòng)大型電器，但研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)其零成本投入的優(yōu)勢(shì)。相比傳統(tǒng)污水處理方式，該技術(shù)將廢物直接轉(zhuǎn)化為能源，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙重提升。相關(guān)論文已發(fā)表于《化學(xué)研究成果》期刊，為微生物燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用提供了重要參考。