台電月刊 - 打開電力新視野

豆知識補給站─從一朵菇看電力地球 淺談微生物發電

695期

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文─顧曉哲

科學家直到近幾十年才認識到,地球是顆活生生的電力行星;早在人類之前,會產生電流的微生物,已經在草地、鹽沼和泥濘的河床建立起廣大的電力網路。這個自然界原本就存在的電力網路,影響及於整個生態系統,也控制著地球上的各種化學變化。

在希臘傳說中,記載著天神宙斯向地上投擲了閃電,閃電擊中橡樹旁的土地,從此橡樹旁的土壤就長出了美味的松露。無獨有偶,日本的菇農都知道,「打雷,香菇就會豐收」的諺語。另外,中國明代潘之恆所著的《廣菌譜》(1590年),當中也有記載:「雷蕈,出廣西橫州。遇雷過即生……。」意即打雷過後,就會出現「雷蕈」。

解密「雷公菇」的鄉野傳說

當然,在臺灣也有同樣的說法,也就是與白蟻共生的雞肉絲菇,因為常出現於雷雨過後,又被稱為「雷公菇」。如果菇的出現只是因為下雨,那麼應該會被稱為「雨菇」才是,所以「雷」對「雷公菇」的出現應該有一定的相關性,也是先人觀察而來的結論。

無論東方或是西方世界,都有雷電與菇的相關記載或傳說,為了探明原理,日本科學家實際進行了研究,發現藉由將香菇生長的原木以直流電供電之後,所產生的電場可以誘使出菇,推測可能是高壓電擊的刺激,破壞了菌絲之間的連結,而使香菇的生長狀態從菌絲(走菌)的營養生長,轉變為產生子實體(出菇)的生殖生長。

菇(真菌),不但會受到外加電力的影響,也會自己產生電力。真菌細胞在其生長和分化過程中,會產生直流電和交流電。此外,它們在外加的電場中也表現出向電性(galvanotropism;朝電流刺激方向生長)和趨電性(galvanotaxis;朝電流刺激方向運動)。真菌產生的自然直流電流,是由於細胞或是菌絲的某些區域聚集了離子通道和離子幫浦所致,而這些電流和動作電位(原本靜止的電位狀態,因為刺激而產生的短暫電位波動),與養分吸收(探索環境)以及對生長空間的控制有關,也有可能與菌絲體內的溝通有關。

另外,科學家也發現,植物病原性真菌所產生的「泳動孢子」(此孢子具有鞭毛,可在水中快速泳動),會在弱電場中游向特定的植物根系。植物的根也會產生微弱的電場,泳動孢子就可以偵測並游往植物的根部進行感染。

在海洋底泥內的「活」電纜

菇(真菌)對電的反應,無論是傳說、諺語或是實際的科學驗證都得到了肯定的答案,至於其他微生物,電在它們的生命與生活中一樣扮演很重要的角色,事實上,電子傳遞是生命的基礎,因此生物系統已經發展了在各種空間尺度上產生電流的能力。

例如,生活在海洋底泥中的「電纜細菌」(Cable bacteria),這種細菌會連接形成宛如長長「電纜」的構造而得名;當初是因為科學家偵測到海洋底泥裡有電流在表層和底層間傳送而被發現。令人驚訝的是,其傳輸電子的距離以公分為單位,是已知生物電子傳輸距離的好幾次方倍,而這個傳遞電子的行為攸關著電纜細菌的群體存活—電纜細菌藉由連接泥層表面的氧及底泥深處的硫化物,使自身可以靠氧化硫化物來產生能量。

透過顯微鏡觀察,顯示這些電纜細菌形成長絲,由不分支的細胞鏈組成,細胞鏈可延伸3至7公分長,當中包含了超過一萬個細胞。在自然條件下,這些細長菌絲以垂直的方向生活在海底沉澱物的表層,每平方公尺內可以發現有加總後長達一萬公里的電纜細菌網絡,這些電纜細菌網絡共同產生大量電流:約25平方公尺的海底可以產生為一台iPad充電所需的等效電能。

再現宙斯的古老技能

除了很特別的電纜細菌之外,生活在泥漿中的地桿菌(Geobacter)在30多年前就已經被發現,它們被人類用於清理外洩的油汙以及放射性廢棄物。這種細菌在其細胞的外部遍布著絲狀蛋白鏈,看起來就像一個微型海膽。隨著將食物轉化為能量,它們會釋放出電子。這些電子通過蛋白質鏈移動,最終會到達存在泥漿中的鐵。這個放電行為就是地桿菌被用來清理放射性廢棄物的主要原因。

最近,科學家將這些奈米級的蛋白鏈做成細絲,然後夾在兩個小小的金屬板之間。結果,電流就這樣流經這些細絲,由一邊的金屬到達另一邊。這些蛋白質「線」的行為就像金屬線一樣。更令人驚訝的是,即便沒有外加電流,這些蛋白奈米線也會自己產生電流。只要有適當的空氣濕度,整個系統就會一直供電。而且串聯5個同樣的系統,就會產生5倍的電力,最終可以點亮燈。

這個系統的關鍵就是,這些蛋白奈米線之間,被稱為奈米孔的狹小空間,水可以在這些孔洞中間移動。奈米線封裝與空氣接觸的小電極那一側會積聚較多的水,而奈米線接觸較大電極的另一側則聚集較少的水。這樣的差異或梯度會使「導線」的一側積聚正電荷,而在另一側積聚負電荷。簡而言之,整個過程有點像自然界形成閃電的步驟。

用爛泥點燈?應用微生物發電潛力大

地桿菌利用濕度產生電流,而且濕度無處不在,在適當的生存(養菌)設備內,地桿菌就能發揮發電作用。也許有那麼一天,奈米蛋白線可以開始為我們的電器充電,例如,路燈基座下設計一個小的廢水處理槽,槽中的一灘爛泥就能點亮路燈。我們的電器或電腦設備裡的導電絲線,也可能由細菌或是真菌菌絲所構成,電池也可以是微生物為主的活電池。最棒的地方是,收集奈米蛋白絲的過程不會產生有害的化學物質,而且,當不再需要該設備時,電極可以重複使用或回收,奈米蛋白線可以自然分解。

延伸閱讀

1. 《演化之舞:細菌主演的地球生命史》,馬古利斯・薩根,天下文化,2016。

2. 《Entangled Life: How Fungi Make Our Worlds, Change Our Minds & Shape Our Futures》,Merlin Sheldrake,Random House,2020。

作者簡介

顧曉哲

「我不是正在研究菇,就是在前往研究菇的路上。」一路上,獲得真菌學博士,著有《菇的呼風喚雨史》,下一步朝向生物科普教育。

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