image: 凭借生物基材料固有的独特优势，生物基水伏技术已逐渐实现了从“材料结构调控”（非活性水伏）到“生物功能驱动”（活性水伏）的发展。根据生物材料的来源和特性，生物基水伏材料可分为三大主要类型：微生物基水伏材料、植物基水伏材料和动物基水伏材料。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
科学家开发出突破性的活性生物基水伏技术，可利用水的自然相变过程发电，标志着可持续能源生产从传统非活性材料向活性生物系统的革命性转变。福建农林大学周顺桂教授团队在《National Science Review》（国家科学评论）上发表综述文章，全面阐述了生物基水伏技术如何从静态的非活性材料（如木材、纤维素）演进为动态的活性水伏发电系统。该技术通过生物材料与水的相互作用，直接将地球水循环中的低品位热能转化为电能。
研究团队将生物基水伏系统分为“活”性及“非活”性水伏两大类别。非活性水伏利用静态生物材料（如木材、纸张和微生物蛋白纳米线），通过水的自发蒸发和吸湿过程收集能量。活性水伏则代表了一种范式转变，它利用植物蒸腾和微生物代谢等动态生物过程，实现更高效的能量转换，并具备卓越的自调节能力。活性系统展现出独特优势：例如植物在自然蒸腾过程中产生电能，同时还能净化空气；微生物即使在极端环境中也能利用水伏能量维持自身生存。此外，这些生物发电机本质上是生态友好、可自然降解，且与合成替代品相比维护成本极低。
该综述根据生物来源将水伏材料分为三大类。微生物基材料包括细菌和藻类，具备自愈能力、环境适应性和基因工程改造潜力。植物基材料研究最为广泛，其天然孔隙梯度和定向传输通道有利于水分运动和能量转换，且成本低廉、资源丰富。动物基材料虽研究较少，但因其优异的生物相容性和力学性能而展现出巨大潜力。水伏技术通过多种机制运作，其中水蒸发诱导发电显示出最高的电压输出，湿度诱导发电在潮湿环境中提供稳定性能，而液滴诱导系统则能产生最高的瞬时功率。最新进展展示了多种机制的耦合，例如将水伏效应与光伏、压电等能量转换机制结合，以提升整体效率。
活性水伏系统在分布式能源应用中特别具有前景。植物可在地景中形成自然的发电网络，微生物群落能建立自我维持的能源生态系统，同时实现环境修复。这些系统展现出卓越的韧性，能够通过生物调节机制适应不断变化的环境条件。当前应用涵盖自供电可穿戴传感器、环境监测设备、分布式能源系统和医疗植入物。研究人员已展示出能够为智能手机充电、为传感器提供数月持续电力以及在偏远地区实现自供电环境监测的水伏设备。该技术在物联网应用中显示出特别潜力。尽管进展迅速，挑战依然存在。目前生物水伏设备的功率输出通常低于传统太阳能电池板，但其能够全天候连续运行的能力提供了互补优势。材料稳定性、规模化成本以及生物过程优化仍需持续研究关注。
展望未来，研究人员提出了三个变革性发展方向。“水伏互联”：通过智能电网系统连接分布式生物水伏发电机网络，提供弹性的去中心化能源供应。“水伏智能”：整合人工智能和机器学习，优化生物能量转换过程，实现自适应、自调节系统。“水伏生态”：致力于创建零碳排放的能源系统，同时支持环境恢复和生态系统健康。该团队强调，未来需要合成生物学、材料科学和器件工程等领域的跨学科合作。例如，基因工程方法可提高微生物的能量转换效率，而对植物生理学理解的深入可能开启基于植被发电的新应用。这项研究代表着向与自然生态系统和谐共存而非取代它们的可持续能源解决方案迈出的重要一步。随着全球对清洁能源需求的增长，生物水伏技术为分布式、环境友好的发电提供了可行路径，能够对现有可再生能源技术形成补充。