近20多年來，科學(xué)家們也在加速尋找取之不盡用之不竭的可再生能源，來解決不可再生能源的嚴(yán)重不足，切實(shí)保障經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需要。生物光伏（BPV）利用微生物（如藍(lán)藻）作為光電轉(zhuǎn)換材料，具有碳中性﹑良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點(diǎn)。

近日，中科院微生物所李寅研究組另辟蹊徑，設(shè)計(jì)并創(chuàng)建了一個具有定向電子流的合成微生物組，來解決藍(lán)藻直接產(chǎn)電活性微弱的問題，有望成為環(huán)境更加友好的新一代太陽能發(fā)電技術(shù)。

該研究成果引起了全球業(yè)界的高度關(guān)注。那么，生物光伏的發(fā)電原理是什么，其生物光伏技術(shù)還存在那些問題？新技術(shù)又到底有著哪些創(chuàng)新之處？

生物光伏具有更高的轉(zhuǎn)換效率

目前，光伏發(fā)電在可再生能源領(lǐng)域還是具有比較大優(yōu)勢的。光伏發(fā)電的安裝可以分布到各家各戶，每一個老百姓只要有一定的場地均可以或大或小的安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。但同時，雖然產(chǎn)品本身對環(huán)境友好，生產(chǎn)過程中需要對排廢做到嚴(yán)格處理和把控，其回收、分離、再利用還面臨很多環(huán)境挑戰(zhàn)。

因此，專家們普遍認(rèn)為，生物光伏相對于傳統(tǒng)光伏具有更高的轉(zhuǎn)換效率，將更加有利于環(huán)境、能源的可持續(xù)發(fā)展。

生物質(zhì)能主要是指植物通過葉綠素的光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并貯存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。

生物光伏利用光合微生物（如藍(lán)藻）作為光電轉(zhuǎn)換材料，具有碳中性、良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點(diǎn)。但目前生物光伏發(fā)電最大的問題是，BPV系統(tǒng)的輸出功率很低，比太陽能光伏低3個數(shù)量級以上。其主要原因是藍(lán)藻等光合微生物雖然具有很高的光合效率，但產(chǎn)電活性很弱。在直接改造藍(lán)藻以強(qiáng)化其產(chǎn)電活性方面，至今仍沒有突破，難以走向應(yīng)用。

據(jù)了解，李寅研究組成功合成的微生物組，由一個能夠?qū)⒐饽軆Υ嬖赿-乳酸的工程藍(lán)藻和一個能夠高效利用d-乳酸產(chǎn)電的希瓦氏菌組成。在這個合成微生物組中，d-乳酸是兩種微生物間的能量載體。

李寅稱，藍(lán)藻吸收光能并固定二氧化碳來合成能量載體d-乳酸，希瓦氏菌氧化d-乳酸進(jìn)行產(chǎn)電，由此形成一條從光子到d-乳酸再到電能的定向電子流，完成從光能到化學(xué)能再到電能的能量轉(zhuǎn)化過程。

克服兩種微生物之間生理不相容難題

李寅研究組的創(chuàng)新之處在于通過在遺傳、環(huán)境和裝置層面的設(shè)計(jì)、改造和優(yōu)化，他們有效克服了兩種微生物之間生理不相容的問題。由此創(chuàng)建的雙菌生物光伏系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的功率輸出，其最大功率密度比目前的單菌生物光伏系統(tǒng)普遍提高10倍以上。

據(jù)資料顯示，李寅研究組采用連續(xù)流加培養(yǎng)方式，使得該雙菌生物光伏系統(tǒng)可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)長達(dá)40天以上的功率輸出，且平均功率密度達(dá)到較高水平，產(chǎn)電時長和單裝置輸出功率均達(dá)到了目前BPV系統(tǒng)的最高水平。

尤其值得一提的是，這是國際上首次利用具有定向電子流的合成微生物組創(chuàng)建生物光伏系統(tǒng)，也是我國第一臺生物光伏原型裝置。研究表明，合成微生物組可以顯著提高BPV光電轉(zhuǎn)化效率，打破了人們對生物光伏效率和壽命難以提高的固有認(rèn)識，為進(jìn)一步提升BPV光電轉(zhuǎn)化效率奠定了重要基礎(chǔ)。

專家們認(rèn)為，雖然生物光伏為太陽能利用提供了一條生物學(xué)路徑，但這是一個全新的交叉學(xué)科。應(yīng)該說，生物光伏目前在我國仍處于研發(fā)階段，要真正走向規(guī)模應(yīng)用，還有很長的路要走。