在伦敦西部一个实验室的桌子上，放着一个塑料容器，高两英尺，宽一英尺，厚约三英寸。它被一个薄聚合物膜垂直分成两半：一边是铁氰化物或缓冲氧气的溶液；另一边，氮气通过有机化学品的肉汤冒泡。在这营养肉汤中游动着数万亿个单细胞微生物，它们在津津有味地进食。
电化学家 Peter Bennetto 和他在伦敦国王学院的同事们在他们的小塑料微生物容器中创造了一个电池——一个活体电池。Bennetto 说，如果能正确利用，这些微生物释放的能量有一天可以为从手表、汽车到第三世界村庄的一切提供动力。他声称，其潜力是巨大的。
看着最新原型——一个大小和形状都像吉普车外置汽油罐的电池，只有可怜的半伏特电压——观察者可能会有些怀疑。但尽管该设备看起来很原始，它却是 200 多年来推测和研究的成果。18 世纪末的意大利医生
Luigi Galvani，通过给青蛙的腿通电使其跳动，第一个断言了电与生命体之间密切的关系。在 Galvani 之后一个世纪，生物学家开始同意，电力在呼吸过程中起着关键作用——不仅仅是呼吸，而是细胞利用氧气的整个过程。科学家们了解到，呼吸会产生一些自由电子，这些电子最终被氧分子吸收，生成水。但当时的科学家们没有概念工具来解释电在代谢过程中的作用。例如，在 1910 年，英国植物学家 Michael Potter 将铂电极浸入含有烘焙酵母或大肠杆菌（一种常见于人肠道的细菌）的溶液中，将另一个电极放入不含生物体的溶液中，并记录了电流。Potter 证明，当他的混合物中的电被耗尽时，它们可以自行充电，这表明电流确实源于生物体。然而，Potter 和他的同时代人无法解释消化过程中电是如何以及为何产生的，因此无法对实验结果给出真正的解释。Bennetto 说，科学界并没有感到震惊。
然而，在 Potter 之后的几十年里，研究人员已经全面检查并描述了复杂分子——特别是碳水化合物——被生物体分解成可用形式和部分的电化学步骤。在细胞层面，这种分解称为分解代谢；在原子层面，电子——电的原材料——在此过程中被失去和获得，这个过程被称为氧化还原反应，或简称氧化还原反应。碳水化合物——糖、淀粉、纤维素——是生物体能量的原始矿石，富含维持生命所需的反应的电子。当碳水化合物燃料分子被分解时，它会失去许多电子；用化学术语来说，它被氧化了。通常，电子会被不断产生和消耗的化合物捕获。这些中间物质被称为还原——它们吸收并保留游离电子，直到电子到达它们的最终目的地，通常是氧气或丙酮酸。
这正是国王学院的设备旨在利用的过程。在塑料容器的两个隔间里，都悬挂着一块碳布屏幕，屏幕上缝有电线。当生活在营养肉汤中的微生物进行新陈代谢活动时，它们释放的电子会流出肉汤，沿着碳布上的电线上升，穿过外部电路，然后又通过碳布上的电线回到容器的另一侧，在那里被氧气或铁氰化物溶液吸收。（肉汤中的氮气是为了清除任何可能飘到肉汤侧的氧气，否则氧气会抢走电子，在电流产生之前就阻止它。）如果这个过程听起来很熟悉，那是因为它就是。该团队的生物化学家 John Stirling 说，这是一种电化学电池的常规设置。
以典型的手电筒电池为例。当你拨动开关时，电池负极——Bennetto 的有机汤端——的分子被分解，释放出电子。它们通过外部电路移动到正极——Bennetto 的氧气或铁氰化物端——产生电流。一旦到达，电子就会被氧气吸收，氧气与氢结合生成水。
正如 Bennetto 所解释的，人造电池和活体电池的主要区别在于其潜力。消化午餐的微生物将更大比例的燃料转化为能量，这比典型的锌基或铅基电池要多。事实上，一个微生物从一定量的燃料中获得的能量数量可以接近锂——锂长期以来被认为是几乎理想的，但相当昂贵的电池材料。在团队的一次试验中，一种叫做普通变形杆菌的微生物在分解葡萄糖时，将所释放的一半电子交给了电极。Bennetto 解释说，产率会更高，但这是因为这些微生物通常不会将葡萄糖完全分解成二氧化碳和水。它们是懒惰的家伙。他说，大肠杆菌是一种更勤奋的细菌，能将 90% 以上的蔗糖餐转化为二氧化碳和水，从而产生接近理论最大值的电量。
Bennetto 将他燃料电池中的微生物视为活着的袋子，里面装满了能够进行一系列分解代谢反应的酶。而且这些袋子相当便宜。Bennetto 指出，一立方厘米的溶液体积（比糖块还小）可能含有 1000 亿个微生物，它们暴露出的反应表面积为五平方米。
然而，团队四升设备的产量令人警醒地提醒人们理论最大值与当今技术之间的差距。Stirling 说，它的功率约为零点二瓦，电压可能为零点五伏。这似乎非常令人印象深刻，尤其是与 1931 年剑桥大学生物化学家 Barnett Cohen 组装的 35 伏特微生物供电电池相比。但 Cohen 的电池需要连接数十个微弱的燃料电池；这是一个非常笨拙的设置，以至于他的同事们认为它只不过是一个小把戏。Stirling 指出，这只有一个电池。我们建造它的目的是为了证明它可以正常工作。
为了让它正常工作，研究人员必须先克服一些障碍，其中最重要的是要弄清楚如何最好地收集设备所基于的电子。通常，碳水化合物分子消化释放的电子并不是真正自由的——它们一直被持有，要么被中间体，要么被最终的电子受体。
到 20 世纪 70 年代，一些研究人员成功地利用了分解代谢的能量，但只能捕获碳水化合物原料中约 1% 的储存能量。他们很快意识到，他们需要想办法进入微生物体内，从中间体手中夺取电子，并在它们被输送到最终受体之前将其运往电线。
障碍是微生物厚厚的细胞壁，一层由脂质组成的双层脂肪物质，分解代谢过程就在其后进行。研究人员必须找到一种方法，将某种化学探针插入这个细胞膜，以收集释放的电子。Bennetto 和他的同事在 1980 年解决了这个问题，他们想到了一种方法：在微生物的营养溶液中加入一组他们称之为“介体”的化学“掠夺者”——这些物质能够像分子针一样刺穿细胞的脂壁，吸走那些游离的电子，并将它们输送到电极。Stirling 说，实际上，我们在分解代谢反应的早期阶段用介体取代了氧气。我们在电子和氧分子之间插入介体，以便收集电子来产生电。
这些化学物质必须满足一些相当严格的要求。首先，它们必须是“电子饥饿”的。通常，一个分子的原子会相互补充，并在电学上平衡。但有时会出现失衡，分子会不断地寻找——或试图摆脱——额外的电子。因此，Bennetto 和 Stirling 开始搜寻其他研究人员发现的特别擅长收集和输送电子的化合物。他们还想要那些能在不分解的情况下溶解在有机汤中的化学物质。在将选择范围缩小到二十几种化合物后，他们试图找到那些亲脂性（喜油）的。亲脂性化合物具有允许它们嵌入微生物细胞膜的分子结构。从这个精选的群体中，研究人员确定了最能轻易地将劫持的电子释放到电极的介体。
如果以正确的浓度添加，介体可以让化学家收集到足够的电子来产生电流，同时又能留下足够的电子供微生物维持其必要的生物过程。因此，理论上，一个活体电池可以在有足够食物的情况下永远运行。然而，Bennetto 觉得有必要指出，尽管反应可以持续很长时间，但可能不会永远持续下去。他指出，我们都会变老——微生物和人类一样。尽管如此，当团队用在乳糖肉汤中游动的大肠杆菌菌株测试该程序时，细菌不仅产生了电流，而且持续了三个多月。这时，研究团队厌倦了观看，并关闭了设备。Bennetto 说，我们没料到实验会持续这么久。如果我们让它继续下去，它可能会更长，但我们感到厌烦了。我们已经证明了微生物发电的原理是建立在坚实的科学基础上的。我们还有其他事情要做。
首先，他们需要找到喂养他们微生物的最佳食物。多年来，他们开发了一个列表，将各种碳水化合物——从葡萄糖到食糖再到糖蜜——与最能高效消化它们的微生物进行匹配。Bennetto 补充说，这给了我们一系列微生物学的技巧。对于每一种天然存在的碳化合物——以及一些其他物质——都有一种微生物会吃掉它。
但是，就像所有吃东西的东西一样，微生物会产生废物。由于燃料电池没有排污系统，废物会留在溶液中。Bennetto 说，一些废物——特别是氢离子——会堆积起来，导致溶液逐渐变酸。活着的生物在酸性环境中生存得不好，微生物也不例外。此外，微生物并不总是吃掉所有的食物。他指出，一些剩余的东西会物理地粘附在电极上，从而干扰工作。
电池的问题不止于此。该小组一直在寻找新的和改进的介体——他们的许多最有效的化合物在暴露于光线下时倾向于分解。Bennetto 指出，通过化学合成设计出更好的东西是完全可行的。在相关领域，如光敏器件和传感器，人们一直在合成新的介体电子转移化合物。
然而，即使在测试这些新合成的化合物时，Bennetto 和 Stirling 也在考虑完全放弃介体。他们说，如果他们能直接将电极连接到微生物本身，他们就可以从源头收集电子，而无需任何中间体。Stirling 推测，一种有效的方法是创建一个微观的电极材料网格，允许电极材料与细菌进行亲密的物理接触。在这种系统中，就不再需要可溶性介体了。
Bennetto 补充说，这是将某些东西植入细菌的问题，也许是基因改造微生物使其具有合适的受体位点。这听起来可能雄心勃勃，但他认为这完全有可能在未来几年内实现。
该团队并不担心电池的这些烦恼。Bennetto 耸耸肩说，因为我们的设备仍处于实验阶段，我们还没有尝试解决所有这些问题。我们只是预见了它们。取而代之的是，他们的目光牢牢地盯着未来。一种可能性是制造一个冰箱大小的燃料电池，能够稳定地产生一千瓦的电力，足以满足典型家庭的大部分需求。一旦这些设备被证明是可行的，更大的生物电池就只是规模问题了。Bennetto 说，我们的估计表明，一个房间大小的反应器，包含一百万升液体和一万吨微生物，每小时可以从 200 公斤碳水化合物中产生一兆瓦的电力。他指出，通常在啤酒厂的废水处理设施中使用这个尺寸的储罐和操作——尽管它们消耗能量，而他的设备则产生能量。
Bennetto 坚信，这样的反应器可以为那些偏远或贫穷到无法被传统发电厂服务的地区带来廉价电力。例如，在菲律宾和古巴等第三世界产糖国，糖厂的糖蜜和其他加工废物将成为现成的原料。同样，微生物能源电池可以作为一种生物反应器，消耗目前污染环境的废物。Bennetto 指出，乳制品行业通常无处可去处理原奶加工后留下的含乳糖乳清。目前，在新西兰和欧洲部分地区，这些废物被倾倒入海或喷洒在森林上。他认为，一个更好的用途是在基于微生物燃料电池的大型生物反应器中“燃烧”碳水化合物部分。否则就无法使用的材料，可能需要昂贵的处理，但可以通过这种方式轻松处理，同时产生有用的电力。事实上，研究人员已经知道一些微生物可以分解咖啡渣和苯酚等各种废物。
研究团队甚至设想了虫子驱动的汽车。Bennetto 计算，一辆舒适尺寸的电动汽车可以用两磅糖的浓缩溶液行驶 15 英里；13 加仑的糖可以让汽车行驶约 600 英里。尽管他承认从分解代谢中获得的能量不到目前最佳发动机燃料的一半，但他认为碳水化合物燃料电池的效率可能远高于汽油发动机，并且与当今电动汽车的动力系统相比具有优势。Bennetto 说，由于生物燃料电池是可再生的——微生物不断繁殖——不需要充电。生物技术服务站偶尔会进行“换虫”而不是“换油”。而且，与石油不同，糖便宜且可再生。他补充说，从经济角度来看，糖动力甚至可能成为可充电电池或太阳能电池的强大竞争对手。
然而，对于虫子动力在可预见的未来，团队知道最好从小处着想。Stirling 说，真正的用途可能在于手表等微型电池。令人惊讶的是，这种设备可以包含足够的原料和细菌，持续很长时间。该小组早期的一个原型只有八分之一英寸见方，但它提供的电力足以运行一个数字时钟一天。Bennetto 说，不到十分之一克的碳水化合物就能驱动一块石英模拟手表一年。即使是单个小型电池，含有不到十分之一克的微生物，也能驱动一个小电机。
尽管他们非常乐意推测虫子动力的未来，但 Bennetto 和 Stirling 对实现这一目标所涉及的细节——弄清楚如何实现小型化，研制出更高效的电极，调配出更稳定的介体——很快就失去了兴趣。Stirling 说，我们已经证明了可以从微生物中获得能量。除此之外，你只是在谈论工程。我们是出于科学目的才做这个的。
