CN111081477B - 生物化学能量转化电池 - Google Patents

Abstract

本文提出一种伏打电池，其含有任选地在微生物群体中的光捕获天线或其它基于生物的电子产生结构，具有电子传导特性的电子虹吸管群，其中个别虹吸管配置成从所述光捕获天线接受电子并且将所述电子传输到集电器，任选光导向系统(例如镜子)，以及具有感测和调节反馈特性的调节器，所述伏打电池用于将光生物化学能量和生物化学能量转化成电。本文还提出一种伏打电池，其在无光存在的情况下具有发电能力。本文还提出所述伏打电池用于太阳能面板中的用途。

Description

生物化学能量转化电池

本申请是申请日为2014年6月25日，申请号为201480041193.3，发明名称为“生物化学能量转化电池”的申请的分案申请。

技术领域

本申请涉及生物化学能量转化电池。

相关申请案的交叉引用

本申请案根据35U.S.C.§119(e)要求2013年6月25日申请的题为“光伏打电池和面板(PHOTOVOLTAIC CELLS AND PANELS)”的美国临时申请案第61/957,147号、2013年9月18日申请的题为“生物化学能量转化电池(BIOCHEMICAL ENERGY CONVERSION CELL)”的美国临时申请案第61/879,612号以及2014年5月9日申请的题为“生物化学伏打电池(BIOCHEMICAL VOLTAIC CELLS)”的美国临时申请案第61/991,335号的优先权，所述申请案针对所有目的全部以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

现用伏打电池和太阳能面板系统效率有限并且需要导致显著相关成本的络合物材料。许多太阳能面板使用基于晶片的结晶硅电池或基于镉或硅的薄膜电池。这些电池脆弱并且必须通过添加多个保护层来免受水分之害。面板串联部署来提高电压和/或并联部署来提高电流。面板通过导电金属导线互连。常见系统的固有问题是电池对当面板的一部分被遮蔽并且面板的另一部分处于阳光直射时的逆向电流引起的过热敏感。另一固有问题在于太阳能电池在较高温度下变得效率较低，这限制了光转化成电的地理效用。例如排列透镜和镜子的改进改善光的聚焦，提高了效率，但制造复杂度和相关成本较高。

染料敏化太阳能电池(DSSC)为基于置于光敏化阳极与电解质之间的半导体材料的太阳能电池技术。DSSC的制造不节省成本并且需要例如铂和钌的昂贵材料。另外，DSSC稳定性为关注点，因为液体电解质存在气候相关灵敏性。

量子点太阳能电池(QDSC)技术是基于染料敏化太阳能电池，但利用低带隙半导体纳米粒子，也称为量子点，其包括CdS、CdSe、Sb₂S₃、PbS和其它类金属盐作为光吸收剂。量子点的优势为带隙偏好由粒径支配以及其提供高消除系数。液体接合电池类型和固态电池类型都有超过5％证实QDSC的效率仍低，并且制造成本仍过高。

聚合物(和共聚物)太阳能电池由有机半导体聚合物(例如聚苯亚乙烯和铜酞菁)薄膜制成。这些电池不同于上述无机太阳能电池，因为其无需P-N结的内建式电场来分隔电子与空穴。实际上，有机电池含有电子供体和电子受体。在聚合太阳能电池中，电子供体通过光子激发，其能量转化成电子和空穴对。所述对扩散到供体-受体界面，由此分离电子和空穴并且产生电流。

现有光伏打面板从一定范围波长的光产生电，但不能利用紫外和红外范围中的波长(但使用聚合和共聚太阳能面板的近期概念研究除外，尽管这些效率仍低至3％-4％)。可用面板还从低亮度光或漫射光产生极少电。设计概念中的增加的工作量将光分离成单色波长并且将这些波长导向到不同太阳能电池，这些太阳能电池根据那些波长具体调谐并且预计将效率提高高达50％，但需要大量技术进展并且成本极高。

涉及太阳能面板技术的现场实验揭示超过42-44℃的临界温度后，每增加1℃，峰值输出降低1.1％。晴热天时这成问题，面板的表面温度可能超过90℃并且由于现用太阳能面板中所需的反射分层，在面板内通常可能发生局部热聚集，使光点高达800℃。寒冷并且阳光充足的环境为现用太阳能面板的最大效率的最佳条件。

从20世纪50年代开始光伏打太阳能面板就已用于将日光转化成电，并且数十年的工艺进步仅使效率增加到12-28.8％。最近，已取得显著纳米技术进步将效率从10％提高到几乎29％，但设计复杂度和制造成本提高。

发明内容

本发明的某些方面涉及伏打电池，其特征可为以下特征：(a)含有提供有电子供体群的离子传导介质的缓冲液；(b)至少部分含有缓冲液电子供体群的器皿；(c)用于从电子供体群接收电子并且向外部电路或负载提供电子的阳极；以及(d)用于向例如缓冲液中之物质供给电子的阴极。在某些实施例中，电子供体群的特征可进一步为具有第一主要代谢路径的第一微生物物种和具有第二主要代谢路径的第二微生物物种，所述第二主要代谢路径与所述第一主要代谢路径互补。在一些实施方案中，任一主要代谢路径都不主要为葡萄糖发酵。

在某些实施例中，伏打电池另外包括将缓冲液分成阳极隔室和阴极隔室的离子可渗透并且电子供体不可渗透的屏障，由此防止电子供体群与阴极接触。在一些实施方案中，屏障为电子传导的。在一些实施方案中，屏障接触阳极。一些伏打电池包括与阳极电连通的集电器。

在一些实施方案中，第一微生物物种和/或第二微生物物种包含光捕获天线。举例来说，第一微生物物种通过第一频带中的电磁辐射激发，并且缓冲液中的至少一种其它微生物物种通过第二频带中的电磁辐射激发。第一频带和第二频带实质上不重叠。

在某些实施例中，第一微生物物种为光营养或化学营养微生物。在某些实施例中，第一微生物物种为化学营养的并且第二微生物物种为光营养的。在某些实施例中，第一微生物物种具有菌毛、原纤维、鞭毛和/或丝状形状。

在一些实施方案中，第一主要代谢路径氧化含有碳、氮、磷或硫的化合物，并且第二主要代谢路径使第一主要代谢路径产生的氧化化合物还原。在一些实施方案中，第一微生物物种具有多种代谢路径。在一些实施例中，第一主要代谢路径和第二主要代谢路径各自参与细胞呼吸。在一些实施方案中，第一微生物物种为天然存在的微生物物种。

在某些实施例中，伏打电池另外包括电子虹吸管群，其中各电子虹吸管包括用于从电子供体群接收电子的电子接受组分，以及用于从电子接受组分向阳极直接或间接传导电子的电子传导元件。在一些情况中，电子虹吸管具有至多约500μm的中位主要尺寸。在某些实施例中，电子虹吸管一起形成缓冲液内的组合件，所述组合件配置成从电子供体群向阳极传导电子。

本发明的另一方面关注通过操作具有这一章节在上文中提出的任何特征组合的伏打电池将化学和/或光能转化成电能的方法。

本发明的另一方面涉及用于伏打电池的缓冲液。此类缓冲液特征可为以下组分：(a)离子传导介质；以及(b)提供于所述离子传导介质中的电子供体群。在某些实施例中，电子供体群包括：(i)具有第一主要代谢路径的第一微生物物种，和(ii)具有第二主要代谢路径的第二微生物物种，所述第二主要代谢路径与所述第一主要代谢路径互补，其中任一主要代谢路径都不主要为葡萄糖发酵。

在某些实施例中，第一微生物物种和/或第二微生物物种为光捕获天线。举例来说，第一微生物物种可通过第一频带中的电磁辐射激发，并且缓冲液中的至少一种其它微生物物种可通过第二频带中的电磁辐射激发。在此实例中，第一频带和第二频带实质上不重叠。

在某些实施例中，缓冲液中的第一微生物物种为光营养或化学营养微生物。举例来说，第一微生物物种为化学营养的并且第二微生物物种为光营养的。

在缓冲液的某些实施例中，第一主要代谢路径氧化含有碳、氮、磷或硫的化合物，并且第二主要代谢路径使第一主要代谢路径产生的氧化化合物还原。在缓冲液的一些实例中，第一主要代谢路径和第二主要代谢路径各自参与细胞呼吸。在一些缓冲液中，第一或第二微生物物种具有多种代谢路径。在一些缓冲液实例中，第一主要代谢路径和第二主要代谢路径各自参与细胞呼吸。

在一些缓冲液中，第一微生物物种具有菌毛、原纤维、鞭毛和/或丝状形状。在一些缓冲液中，第一微生物物种为天然存在的微生物物种。

在某些实施例中，缓冲液另外包括电子虹吸管群，其中各电子虹吸管包括用于从电子供体群接收电子的电子接受组分，以及用于从电子接受组分向阳极直接或间接传导电子的电子传导元件。在一些情况中，电子虹吸管具有至多约500μm的中位主要尺寸。在一些实例中，虹吸管共同形成缓冲液内的组合件，所述组合件配置成从电子供体群向阳极传导电子。

本发明的另一方面涉及特征为以下特征的伏打电池：(a)含有离子传导介质的缓冲液，所述离子传导介质具有(i)提供于其中的电子供体群，和(ii)提供于其中的电子虹吸管群；(b)至少部分含有缓冲液电子供体群的器皿；(c)用于从电子供体群接收电子并且向外部电路或负载提供电子的阳极；以及(d)用于向例如缓冲液中的物种供给电子的阴极。在某些实施例中，各电子虹吸管含有用于从电子供体群接收电子的电子接受组分，以及用于从电子接受组分向阳极直接或间接传导电子的电子传导元件。

在一些实施方案中，电子虹吸管具有至多约500μm的中位主要尺寸。在一些实施方案中，电子虹吸管一起形成缓冲液内的组合件，所述组合件配置成从电子供体群向阳极传导电子。在一些实施方案中，电子虹吸管包括用于与电子供体群对接，但不溶解含有电子供体群的细胞的对接部分。

在某些实施例中，伏打电池另外包括将缓冲液分成阳极隔室和阴极隔室的离子可渗透并且电子供体不可渗透的屏障，由此防止电子供体群与阴极接触。在某些实施例中，伏打电池另外包括与阳极电连通的集电器。

本发明的另一方面涉及用于伏打电池的缓冲液，所述缓冲液的特征可在于包括以下的离子传导介质：(i)电子供体群；以及(ii)电子虹吸管群。在某些实施例中，各电子虹吸管包括用于从电子供体群接收电子的电子接受组分，以及用于从电子接受组分向阳极直接或间接传导电子的电子传导元件。在某些实施例中，电子虹吸管具有至多约500μm的中位主要尺寸。在某些实施例中，电子虹吸管共同形成缓冲液内的组合件，所述组合件配置成从电子供体群向阳极传导电子。在某些实施例中，电子虹吸管包括用于与电子供体群对接，但不溶解含有电子供体群的细胞的对接部分。下文将关于相关图式阐述所披露实施例的这些和其它特征。

下文将参看图式进一步描述本发明的这些和其它特征。

附图说明

图1A示意性地描绘能量转化电池。

图1B-1D描绘图1A中所示的电池的变化形式。

图2提供浸入式开放系统伏打电池的实例。

图3和4描绘采用电子虹吸管的光转化系统。

图5描绘与电子虹吸管耦合的光系统。

图6呈现电子虹吸管和电子供体群布置的示意图。

图7呈现电子虹吸管和微生物细胞群的第二布置的示意图。

图8呈现若干电子虹吸管的实例。

图9呈现电子虹吸管的不同阵列的示意图。

图10示出了电子虹吸管捕捉代谢过程产生的电子的用途。

图11示出了电子虹吸管捕捉脂质体产生的电子的用途。

图12呈现伏打电池的侧视图。

图13呈现伏打管的示意图。

图14呈现伏打电池支柱的示意图。

图15呈现伏打电池中的电路连通性的布置。

图16呈现电子虹吸管上平行方式的电子供体布置。

图17呈现串联伏打电池布置的示意图。

图18呈现伏打面板和电池的示意图。

图19和20绘制根据某些实施例建构的伏打电池的随时间的电力输出。

具体实施方式

定义

除非另有定义，否则本文中所用的所有技术和科学术语都具有与所属领域普通技术人员通常所理解相同的含义。包括本文所包括的术语的多种科学词典为所属领域技术人员众所周知和可获得的。披露与所述用于实践实施例的方法和材料类似或等效的任何方法和材料。

通过参考说明书将更充分理解下文紧接着定义的术语。定义仅为了描述具体实施例而提供并且帮助理解本说明书中所述的复杂概念。其并不打算限制本发明的整个范围。具体来说，应理解本发明不限于所述的具体组合物、系统、设计、方法、方案和/或试剂，因为其可视所属领域的技术人员使用其的情境而变化。

除非内容和上下文另外明确规定，否则如本说明书和所附权利要求书所使用的单数形式“一个(种)(a/an)”和“所述(the)”包括复数个指示物。举例来说，提到“一个电池”包括两个或更多个此类电池的组合。除非另外规定，否则“或”连词以其正确含义用作布尔逻辑算符(Boolean logical operator)，涵盖替代的两个特征选择(A或B，其中选择A与B相互排斥)和结合选择特征(A或B，其中A和B都选择)。

“光捕获天线”为能够通过光能激发的生物化学结构或化学结构。所关注的，光可将天线激发成使其产生电能或电化学能的状态。有时，光合微生物含有光捕获天线。

“电子供体”为作为涉及从辐射(例如光)、化学组分、机械操作或其它过程转化能量的方法的部分供给电子的组分。在本发明中，电子供体的实例包括光合以及非光合微生物、光捕获天线和色素。

‘光合微生物’为生长和代谢过程使用光能的微生物细胞。此类微生物通常含有能够利用光能和电子传输组分的光捕获天线，其可嵌入细胞质膜和/或膜内陷和/或膜囊泡和/或细胞器中。

“色素”为能够通过光能(通常通过波长选择性吸收)激发的任何组合物。色素为一个光捕获天线或其组分。色素可以合成方式或生物方式产生。

“非光合微生物”为生长和代谢过程不需要光能的微生物细胞。此类微生物可含有电子传输组分，其可嵌入细胞质膜和/或膜内陷和/或膜囊泡和/或细胞器中。

“电子虹吸管”为配置成从光捕获天线去除电子并且向伏打电池的集电器(有时充当电极)直接或间接传输电子的小结构。在某些实施例中，虹吸管含有一或多个连接到电子传输结构(例如在其表面上)的电子接受元件(例如电子配位部分)。电子传输结构可为单个原子厚(例如石墨烯基质)或可为多个原子厚。

“电子虹吸管基质”为可实质上彼此重叠的电子虹吸管的集合。在一些实施例中，电子虹吸管基质提供跨越多个个别电子虹吸管的传导路径。在一些实施例中，基质提供从伏打电池的集电器向缓冲液中良好延伸的传导路径，在缓冲液中基质接触多种基于生物的电子产生结构。在一些实施方案中，电子虹吸管基质为电子虹吸管的排列配置。

“电子传导材料”为能够将电子从电子传导材料的一个位置转移到另一位置的材料。电子传导材料可为电子传导或半传导的。其可传导空穴。在一些实施例中，电子虹吸管的电子传输结构含有电子传导材料。

引言和情境

光合微生物和植物将光能转化成其它可使用形成的能量时保持约40-80％光吸收的最大效率。据估算全球的光合生物的平均能量捕捉速率为130兆兆瓦(terawatt)，这比人类文明的现用功率消耗能力大约六倍(尼尔森(Nealson),1999；怀特马什(Whitmarsh)1999；斯蒂格(Steger),2005；能量信息管理局(Energy Information Administration),2006)。光合微生物在其膜中含有光捕获色素和天线系统或反应物中心来利用已通过光子传递的能量。电子载体通过电子传输链连续传送激发电子并且同时促进跨越膜的质子分离的协调工作来产生势能。

存在两种类型的光合成，无氧和有氧。无氧光合成认为在历史上先于有氧光合成并且不产生氧气。有氧光合成在植物和蓝细菌中进行并且使用H₂O作为用于光养的电子供体。无氧光合成可利用氢、硫和某些化合物作为用于光养的电子供体。

已在绿色硫细菌中鉴别出记载的最大光利用能力，其存在于深海热井中的海洋表面以下几乎1英里处，非常少的光会到达这些微生物。这些微生物可在无氧光合成中利用几乎100％残余光。

使用光合微生物产生可用能量已主要集中于生物燃料产生。

本文披露基于微生物的发电电池，其相较于现用太阳能技术具有较低能量制造过程、产生高光-电转化率、具有调节器并且具有较少地理限制。电池可定制来解决地形、气候、季节、结构需要等需求。在某些实施例中，电池具有一或多个光捕获天线群并且任选地包括以下特征中的一或多个：具有电子传导特性的电子虹吸管、光学耦合系统以及具有感测和调节反馈特性的调节器。在一些设计中，电池具有在无光条件下的发电能力。在一些实施方案中，电池部署于太阳能面板中。

在一种形式中，伏打电池包括含有缓冲液系统的器皿、微生物细胞群、传导电子虹吸管群和集电器(例如导线)。

在某些实施例中，伏打电池包括含有缓冲液系统的器皿、微生物细胞群、电子虹吸管群和集电器。在其它实施例中，伏打电池包括含有缓冲液系统的器皿、微生物细胞群、传导电子虹吸管基质以及导线(集电器的实例)。在其它实施例中，伏打电池包括含有缓冲液系统的器皿、微生物细胞群、传导电子虹吸管基质和集电器。在一些方面，伏打电池包括含有光捕获天线群的器皿、缓冲液系统、电子虹吸管群、传导电子虹吸管基质、镜面系统和调节器系统。电子虹吸管群和电子虹吸管基质可为物理上不同的结构，群含有促进与电子供体对接的官能团并且基质设计成从群向电极传输电子。群的虹吸管可绕微生物移动而基质的虹吸管可具有固定位置。在一些方面，伏打电池可包括含有光捕获天线群的器皿、缓冲液系统、排列的电子虹吸管群、电子传导材料、镜面系统和调节器系统。在其它方面，伏打电池可包括含有微生物群的器皿、缓冲液系统、电子虹吸管群、调节器系统和电荷储存装置。

图1A示意性地描绘能量转化电池105，其具有在内部隔室109中固持流体的密闭器皿107，所述流体中存在一或多种微生物群。电池105还包括安装在器皿107顶部的盖板元件131。元件131对微生物群响应的波长范围中的辐射透明。任选地，电池105包括安置于器皿107内的离子可渗透屏障111，防止隔室109中的微生物和/或其它电子供体进入可渗透屏障111的相对侧上的隔室113中。应理解，可渗透屏障111为任选的并且有时器皿107内仅提供单一溶液。

电池105将包括彼此通过隔室109以及任选地隔室113(如果存在)中的离子传导流体以电子方式分隔开的阳极115和阴极117。在操作期间，隔室109中的微生物群产生集合于阳极115处的电子。这些电子通过流过电路耦接阴极117和阳极115中的负载119而起作用。如果使用隔室113，那么其可包括独立微生物群。在一些实施方案中,隔室113中的微生物向阴极117供给质子或其它带正电物质。隔室109和113中流体中的微生物通过不同机制转化能量。在各种实施例中，至少隔室109内的微生物是光营养的。

在某些实施例中，流体系统121耦合到器皿107并且任选地具有用于隔室109和113的独立端口。流体系统121可包括多种元件，例如用于固持隔室109和/或113的组成流体的储槽、一或多个泵、一或多个压力计、质量流率计、挡板等。流体系统121可向电池105提供新鲜缓冲溶液和/或微生物。其还可向这些流体传递多种调节剂中的一或多者。此类调节剂可包括酸、基质、盐、营养物、染料等。

电池105还可与控制流体系统121的控制器125接界。控制器125可具有一或多种其它功能。举例来说，其可接收来自系统的多个组件(例如电路耦接阳极115、阴极117、流体系统121和/或分别提供于隔室109和113中的感测器127和129)的输入。感测器可监测电池105的任何一或多种相关操作参数。此类参数的实例包括温度、化学特性(例如组分浓度和pH)、光学特性(例如混浊度)、电特性(例如离子传导性)等。

图1B描绘电池105的变化形式。具体来说，所述图描绘替代电池135，其具有阳极片137、阴极片139以及在片137和139之间的由隔片143界定的隔室141。隔室141内是离子传导介质。阳极片137可含有半透性材料或由半透性材料制成，所述材料允许片的两侧之间的离子连通但不允许微生物或微生物组分通过。在阳极片137顶部上提供含有光子捕获天线的光营养微生物的微生物群145。

图1C描绘电池105的另一变化形式。具体来说，所述图描绘第一隔室147通过第三隔室151连接到第二隔室149。隔室147内为第一电极153，其为电子传导的并且可为离子传导的。有机感光性电子产生剂145的层安置于电极153的顶部。电子产生剂可包括光捕获天线，并且在一些情况下，还包括电子虹吸管。微生物群145可包括光营养微生物群、微生物膜结合光系统、含有光系统的囊泡和/或其它感光性有机电子产生剂。隔室149内为第二电极155，其极性与电极153相反并且为电子传导的，并且任选地为离子传导的。隔室151可含有半透性材料，其允许隔室147与149之间离子连通但不允许微生物群145中存在的光营养微生物、微生物膜组分等从隔室147扩散到隔室149中。从微生物群145捕获的电子转移到隔室147中的电极153，接着穿过连接的传导元件157(例如导线)。第二传导元件159连接到电极155。

图1D描绘电池105的另一变化形式。具体来说，所述图描绘含有如针对图1C的实施例所述并且与微生物群145直接接触的第一电极153的分离隔室161，所述层含有具有光子捕获天线的光营养微生物和/或微生物膜组分群。隔室161还含有如针对图1C的实施例所述的极性相反的第二电极155，其通过半透性屏障163分隔开，所述半透性屏障使能够通过电池离子交换，但抑制微生物群145中的光子捕获天线扩散到电极155周围的空间中。电子流到第一电极153并且接着通过传导元件157流到电路。例如质子或空穴的带正电物质可通过传导元件159流过第二电极155。具有相同作用，电子可从电连接到第一电极153的负载流入电极155。

光转化系统可包括与电子虹吸管直接相邻定位的阳极，从而从虹吸管收集电子并且在含有阳极和阴极的电路中产生电流。电路可耦合到用于输电栅格或其它系统的转化模块。

在一种形式中，披露的微生物能量转化电池包括含有缓冲液系统的器皿、光捕获天线群以及传导电子虹吸管群。在本发明的一些方面，电池可包括含有光捕获天线群的器皿、缓冲液、传导电子虹吸管群、镜面系统以及调节器系统。

在一些实施例中，光转化系统包括光捕获天线组分群和改良的传导电子虹吸管以使用低复杂度和成本提高光转化成电的效率。

在某些实施例中，光转化系统包括在微生物源光捕获天线群周围的缓冲电解质溶液，所述群具有每个组分多个光捕获天线并且其中组分群有能力捕获宽波长范围的光，包括紫外光和红外光，并且可捕获一定强度范围的光，包括漫射光。所述群可包括一或多种微生物物种(包括光合和非光合微生物的混合物)、源自微生物的膜组分或含有光捕获天线组分和电子运载组分的囊泡。

在一些实施例中，光捕获天线群含有光系统，其包括光捕获色素或电子运载分子和反应中心。这些元件进一步描述于下图5中。在一些实施方案中，光捕获天线群含有一定范围的不同光捕获色素和光系统并且可具有类似电子运载分子。表1和2中呈现所披露实施例的光捕获天线群的个别组分的实例。

光转化系统可含有在宽温度范围上具有电子清除特性和传导和/或半传导特性的电子虹吸管。电子虹吸管实质上可为改良的传导和半传导的并且以维持电子传导特性的方式改良。如下文较全面描述，电子虹吸管可为个别或多聚纳米棒、纳米管、纳米线、纳米粒子、纳米网状物、纳米纤维、量子点、树状体、纳米簇、纳米晶体或纳米复合材料，并且可含有碳、硅、金属、金属合金或胶体。另外，所披露实施例的个别电子虹吸管的长度可在1到900nm范围内，并且多聚体的长度可在0.9到4μm范围内。在一些实施例中，微生物本身产生电子虹吸管以提供用于排出过量电子的天然机构。

图5描绘使用的实例电子虹吸管。在此实例中，可为单壁碳纳米管的碳纳米管505通过HCl活化，洗涤并且用L-精氨酸通过化学交联改性产生生物相容电子虹吸管。可被改性的碳纳米管505与其膜中含有光捕获色素和电子运载组分的微生物群混合。

光系统可如图5中所是操作。在一些实施例中，光系统存在于活有机体的细胞膜中。在一些实施例中，光系统存在于源自活有机体的膜中但不是所述生物体的部分。在其它实施例中，光系统并入合成微团状结构中。此类结构可通过所属领域中已知的技术形成，例如在具有清洁剂的溶剂中超声波处理油和脂质。所得微团状结构可外加所需光系统组分。此类组分通常包括反应中心，例如叶绿素a的分子、光捕获色素和电子穿梭分子。某些色素分子可用作光捕获色素和电子穿梭分子两者。

当光撞击微生物膜中的光捕获色素时，激发的电子定向地传递到膜中的电子运载组分(图5中的天线辅助色素)和使电子传到末端电子受体(在这一情形下，改性的碳纳米管)的电子穿梭组件。电子从微生物膜流出到电子虹吸管结果上。电子流接着可被邻近的阳极(例如金属片或导线)利用以使离开微生物群的电流流量最大。当电池的一个部分(一个电极处)的电子净流量与电池的另一部分(不同电极处)的显著不同时，可产生电流。

电子可通过多种方式从光系统流到阳极。有时，微生物作为膜或其它附属结构直接连接到阳极。在此类情形中，光系统产生的电子从光系统直接移动到阳极。在其它情形中，光系统未连接阳极并且电子在溶液中从电子虹吸管流出，在所述溶液中电子可以被溶液中的介体捕捉和传输。在类似实施例中，电子传递到将阳极连接到溶液中的微生物或含有其它光系统的元件的传导网状物。此类系统可为纳米结构网状物、路径或其它布置以例如维持电子虹吸管到阳极的连接。在某些实施例中，光系统对应于光捕获天线。

尽管光系统通常描述为所披露实施例的电子源，但可使用产生电子的非光合生物化学过程代替光系统或除了光系统之外可使用产生电子的非光合生物化学过程。因此，适当时，提及光系统和类似术语可视为包括代谢和其它生物化学系统，其产生可用于供给到能量转化电池中的阳极的电子。

用于伏打电池的器皿和相关硬件

在其基础实施例中，伏打电池的重要功能为捕获光子并且使用光合微生物和光合微生物膜群利用电池内所含的激发电子产生电流。电池可包括用于将微生物能量转化电池介质和微生物群的防漏器皿或外壳。在一些实施例中，微生物能量转化电池另外包括电极、感测器、半渗透性屏障、离子传导材料、导线等。

通常，电池应设计成接受外部辐射并且将其中的能量转化成微生物膜的光捕获天线的激发电子，并且提供传导材料用于利用微生物的各膜内的电子传输链产生的所得高能电子。

所披露实施例的微生物能量转化电池可完全接入环境并且可按使光子能够在-20℃到65℃的温度范围以及在完全晴到云或雾笼罩的天气范围内转化。所披露实施例的微生物能量转化电池也可以是便携式的并且可具有使用者决定的可变环境接入。

在某些实施例中，器皿可经受得住高温(例如约50℃或更高)和约50Pa到约10kPa；约500Pa到约3kPa；约800Pa到约1.5kPa的内部压力(高于大气压)。应注意，一些实施例采用天然栖息场所为例如深海热井的高压环境的微生物。

在一些实施例中，电池为没有新鲜缓冲液或其它溶液流入系统中并且不暴露于大气压气体交换的密闭系统。在其它实施例中，其为半密闭系统，含有例如管道、阀和端口的系统以允许新鲜缓冲液、调节元素、新鲜微生物天线群和/或大气压气体流入系统中。其端口含有0.22μm过滤器以防止系统被大气压微生物污染物污染。在其它方面，端口含有0.45μm过滤器以防止系统被较大大气压微生物污染物污染。

在其它实施例中，电池为完全接入环境的开放系统。在一些情况中，开放系统为例如池塘、湖泊、河流、蓄水池、溪流或其它开放水体的水体。开放系统还可含有管道、阀和端口的系统以允许内源性新鲜微生物天线群循环到开放系统微生物能量转化电池中。

图2提供浸入式开放系统的实例。元件807和811为阳极和阴极。元件813为允许离子传导但阻断微生物传输的半透性屏障。元件813可为抗微生物涂层(例如银)。805和809为来自阳极和阴极的传导性电引线。元件801为电路的部分、机械支撑结构的部分或这两者。

器皿形成伏打电池的边界并且可由许多材料中的任一者制成，包括例如聚合物(例如聚乙烯、聚丙烯或聚氨酯)、玻璃、金属或其组合。在各种实施例中，器皿材料为气体和液体不可渗透的材料。

器皿可含有多层单元，其含有最外层和一或多个内层。外层可含有透明塑料、玻璃、金属或其它材料以提供针对环境的保护。在一些实施例中，器皿具有允许多种频谱波长的电磁辐射通过的最外层。在一些实施例中，大部分频谱波长的光能可穿透最外层。在一些实施例中，器皿的一部分可含有大部分频谱波长的光能不可穿透的最外层以及含有大部分频谱波长的光能可穿透的最外层的器皿的第二部分。

在一些实施例中，界定微生物能量转化电池的外边界的器皿是刚性的。刚性壳体可含有刚度>约1.3GPa并且形状类似于立方体、长方体、球体、柱状物、圆柱、圆锥体、锥台、角锥形或棱柱的玻璃或聚合物。壳体的壁厚可跨越约1mm到20cm的范围。优选为壁厚在约5mm到25mm范围内的壳体。

可选择器皿体积、形状和尺寸来补足能量转化系统的整体结构的残缺处。在一些实施例中，器皿体积可在约0.0000001m³到约3m³；约0.000001m³到约2m³；约0.0001m³到约1.5m³；约0.01m³到约1m³；或约0.1m³到约0.5m³范围内。

器皿可通过标准方法制造，包括部件模制、注塑模制、挤压成形、激光蚀刻、胶合、焊接填缝以及其它适合技术。

在一些实施例中，界定微生物能量转化电池的外边界的器皿为具有电绝缘特性的框架。在本发明的一些方面中，框式壳体具有隔热特性并且经泡沫填充。所披露实施例的框架包括玻璃纤维、铝、不锈钢、石墨、聚碳酸酯、碳纤维、聚苯乙烯、聚乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚氯三氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、间位芳纶聚合物或共聚酰胺。

在其它实施例中，界定微生物能量转化电池的外边界的壳体是柔性的。柔性壳体的实例包括一或多种透明聚合物，其刚度<约1.2GPa并且具有非晶形形状或具有类似于立方体、长方体、球体、柱状物、圆柱、圆锥体、锥台、角锥形或棱柱的形状。适合聚合物的实例包括聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚氯三氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、间位芳纶聚合物或共聚酰胺。壳体的壁厚可跨越例如约0.5mm到25mm的范围。在一些实施例中，壳体具有约1mm到10mm范围的壁厚。

在一些实施例中，微生物能量转化电池中包括供光子能量渗透到能量转化电池中的窗口。窗口可透射约100nm到1060nm之间的范围内的光并且可含有玻璃、结晶复合物以及聚合物，例如聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)、聚(苯乙烯磺酸酯)、聚(4,4-二辛基环戊二噻吩)或其它透明聚合物。在某些实施例中，窗口可为约1mm到30cm厚。在一些情况中，窗口的厚度在约5mm到25mm范围内。

在一些实施例中，微生物能量转化电池中包括的垫圈或密封件可用于在电池框架和窗口之间以及电池壳体与端口或管道之间提供防漏密封。适合垫圈或密封件可含有抗UV硅酮、就地固化树脂、乙烯-丙烯二烯、闭孔腈或其它抗UV垫圈或密封件。

在一个实例中，容纳室包括与抗UV垫圈并列的玻璃面板，所述垫圈安装于连续注射模制聚合侧壁和衬垫单元上。连续注射模制聚合侧壁和衬垫单元具有：用于流体的入口端和/或出口端和/或0.22μm过滤器气体-交换端口，以及连接到电线用于将直流电的流量聚集到太阳能面板的替代电流转换器的装配电子流导片。

在另一实例中，器皿形状为中空聚合物管。在一些实施例中，器皿的形状为圆柱、矩形、正方形、球体、柱状物品或平面物品。在一些实施例中，器皿设计成发酵罐；生长室或其它细胞培养设备。

在某些实施例中，电池系统包括外壳框架、光转化系统配接器、AC配接器和电缆。在一些实施例中，系统可容纳光转化系统的阵列。在其它实施例中，太阳能面板可使用使外壳框架能够去除和替代光转化系统的方式制造。如本文所披露的电池可起功能性作用并且可用于太阳能面板中以向指定外部电力负载(例如栅格)提供电流，而本发明的其它方面使用便携式光伏电池向装置提供电流。

在一些实施例中，电池外壳为刚性系统并且除了辐射能量接受作用之外还提供结构作用。

在某些实施例中，伏打电池可用于结构和功能性作用并且可在机动车和飞机中用作引擎盖、顶部、遮阳篷、天窗、行李箱、框架、机翼、窗口或其它。另外，电池可在建筑中用作墙壁、幕墙、屋顶、窗、门、走道、院子、车道、甲板、围栏或其它。

在其它实施例中，电池外壳为除了能量转化作用之外还可提供物理作用的柔性系统。柔性微生物能量转化电池的用途的实例为：可回缩元件，例如雨篷、帆、罩盖、篷布、斗篷、披风；以及可折叠元件，例如毯子、观察窗、顶罩、阳伞、风扇以及服装。

半渗透性屏障

在本发明的一些方面中，一些或全部微生物细胞群被器皿的半渗透性屏障阻挡。在一些实施例中，一些或全部光捕获天线群含于至少部分由半渗透性屏障界定的隔室中。在一些实施例中，微生物细胞群和独立光捕获天线群的混合物可含于由半渗透性屏障界定的隔室中。在一些实施例中，电子虹吸管群和微生物细胞群的混合物含于由半渗透性屏障界定的隔室中。在一些实施例中，电子虹吸管群、微生物细胞群和独立光捕获天线群的混合物由半渗透性屏障容纳。在一些实施例中，半渗透性屏障为电子传导的。在一些实例中，半渗透性屏障含有由半渗透性屏障容纳的电子传导材料。在一些实施例中，电子虹吸管群、微生物细胞群以及独立光捕获天线群的混合物由第一半渗透性屏障容纳，并且电子传导材料由第二半渗透性屏障容纳。

在屏障为电子传导的某些实施例中，其与伏打电池的电极(阳极或阴极)形成电接触。在一些实施方案中，通过电子虹吸管网状物形成接触。

在一些实施例中，半渗透性屏障可在器皿的一部分中。在一些实施例中，半渗透性屏障可存在于器皿的一个以上部分中。半渗透性屏障可提供伏打电池组分的容纳、分隔(例如伏打电池中的阳极和阴极隔室)、器皿内的极性等。

器皿内的容纳可通过约束伏打电池的组分来实现。在一些实施例中，器皿内的容纳还可以通过约束伏打电池的组分混合物来实现。在一些实施例中，半渗透性屏障可含有电子捕获群；伏打电池的电子供体等。在一些实施例中，半渗透性屏障可含有一或多种电子受体；电子传导材料；或伏打电池的其它组分。在一些实施例中，半渗透性屏障用于容纳电子捕获群和电子虹吸管群。在一些实施例中，半渗透性屏障用于容纳电子供体群。在一些实施例中，半渗透性屏障用于容纳电子供体群和电子虹吸管群。在一些实施例中，半渗透性屏障用于容纳电子受体群。在一些实施例中，半渗透性屏障用于容纳电子供体群并且第二半渗透性屏障用于容纳电子受体群。

可通过使用一个或一个以上半渗透性屏障产生特殊作用的子隔室来实现伏打电池内的组分的分隔。在一个隔室(电子供体隔室)中，伏打电池的分隔组分可将光能或化学能转化成游离电子。在另一隔室中，伏打电池的分隔组分可将电流中的电子从伏打电池的电子供体隔室传导到集电器。

器皿内的分隔可为电、化学、渗透、化学渗透、化电或其它机制。各器皿中可使用一种以上半渗透性屏障来产生极性提高的器皿。器皿内的一个以上半渗透性屏障可平行或串联布置，其中可在器皿的一部分中或器皿的广阔区域上设置分隔。在一些实施例中，可产生含有电子产生群的半渗透性屏障的平行布置。在一些实施例中，可产生含有电子接受体群的半渗透性屏障的平行布置。在一些实施例中，含有电子供体群的半渗透性屏障的布置可与含有电子接受体群的半渗透性屏障串联连接。在一些设计中，使用单极或双极配置的多电极伏打电池。在双极伏打电池中，电池堆叠成夹层构造，从而使一个电池的阴极板变成下一个电池的阳极板。两个串联耦接的电化学电池以电极的一侧充当一个电池中的阳极并且另一侧充当下一电池中的阴极的方式共用电极。共用电极的阳极和阴极区段通过电子传导板或膜分隔开，所述电子传导板或膜使得电池之间无离子流动并且用作隔板和串联连接。

电子接受体微生物的实例包括红假单胞菌属(Rhodopseudomonas spp.)、地杆菌属(Geobacter spp.)、硫杆菌属(Acidithiobacillus spp.)、斯瓦尼菌属(Shewanellaspp.)以及具有IV型菌毛或电子接受外膜组分的其它微生物(雷格拉(Reguera)等人,2006；良(Leang)等人,2010；里克特(Richter)等人,2012)，其以全文引用的方式并入本文中。供电子微生物的实例包括脱硫杆菌目(Desulfobacterales spp.)、脱硫弧菌目(Desulfovibrionales spp.)、互营杆菌目(Syntrophobacterales spp.)、脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum spp.)、脱硫鼠孢菌属(Desulfosporomusa spp.)、脱硫芽孢弯曲菌属(Desulfosporosinus spp.),高温脱硫弧菌属(Thermodesulfovibrio spp.)、高温脱硫细菌属(Thermodesulfobacteriae spp.)、热脱硫菌属(Thermodesulfobium spp.)、古生球菌属(Archaeoglobus)、热分支菌属(Thermocladium)、热杆菌属(Caldivirga)、变形虫属(Proteus spp.)、假单胞菌属(Pseudomonas spp.)、沙门氏菌属(Salmonella spp.)、硫磺单胞菌属(Sulfurospirillum spp.)、芽孢杆菌属(Bacillus spp.)、脱硫盐菌属(Desulfomicrobium spp.)、热棒菌属(Pyrobaculum spp.)、产金菌属(Chrysiogenesspp.)等。

半渗透性屏障可含有可具有单层或可具有一个以上层(例如层制品)的材料。在一些实施例中，半渗透性屏障含有孔。在某些实施方案中，半渗透性屏障的孔的孔径可小于约0.45μm；小于约0.22μm；小于约0.1μm；或小于约0.5nm。半渗透性屏障可含有膜；过滤器；膜；筛；尺寸排阻基质等。半渗透性屏障可由合成聚合物制成，例如(但不限于)聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、硝化纤维、尼龙或其它；天然聚合物，例如木质素、卡纸板、纸、二氧化硅纳米粒子，伏打电池中可使用含有电子传导材料的半渗透性屏障，在此情况中屏障可用作集电器或阳极或阴极的补充物。在一些实施例中，半渗透性屏障并不传导。在一些实施例中，缓冲液在屏障使其扩散处润湿屏障，并且在一些情况中，传导离子。半渗透性屏障也可含有木质素、聚氯乙烯、PVDF、硝化纤维或其它。屏障的厚度可适于所述应用。伏打电池内应维持高离子传导性并且应不占据电池内部体积的大部分。在一些实例中，屏障的厚度为约2.5mm或更低，约200μm或更低，约50μm或更低，约750nm或更低，或约200nm或更低。有时，屏障厚度可薄至约1nm到约0.35nm。

用于集电器的电子传导材料

电子传导材料可含有金属、类金属、胶体、复合物、硅或具有传导或半传导特性的其它材料类型。电子传导材料可含有平面形式；网格形式；多刺形式；网状物形式；层形式；点刻形式；网格形式或已增加表面积来提高电子传导的其它形式。

在一些实施例中，伏打电池可含有一种以上电子传导材料。在一些实施例中，伏打电池可含有多种电子传导材料，各材料类型具有不同电子接受电势。不同电极可具有本质上不同的电化学电势，此可促进生物学或生物化学能量转化。正电性电势处的电极可提高特定类型的微生物的供电子活性。

半渗透性屏障可含有电子传导材料。在一些实施例中，伏打电池可含有半渗透性屏障所含的电子传导材料。在一些实施例中，伏打电池可含有多种电子传导材料，其各自被半渗透性屏障所含有。

电子传导材料可用作伏打电池中的集电器。在一些实施例中，集电器实施为延伸到伏打电池的隔室中的导线或导线互连群组。在一些实施例中，集电器为孔隙率为至少约0.2，或至少约0.5，或至少约0.7，或至少约0.9的多孔材料。在一些实施例中，集电器占据伏打电池中的室(例如通过半渗透性膜与阴极分隔开的阳极室)的实质部分。举例来说，集电器可占据至少约20％室体积，或至少约50％室体积，或至少约70％室体积，或至少约90％室体积。

伏打电池的实例构造

伏打电池的设计.

在这一实施例中，伏打电池包括器皿、集电器或电端子(例如导线形式)、第一电极、第二电极、微生物以及缓冲液系统。在一个实施方案中，器皿由玻璃制成，集电器含有铜导线，第一电极含有例如氧化物(例如氧化铜或二氧化硅)的涂层，并且改良的电极含有金属。举例来说，可通过添加导电金属网格和/或量子点来改良。微生物可为水生微生物的非均质群，其中大多数能够进行光合成。缓冲液系统含有盐、矿物、糖、氨基酸、铵盐以及水。

柔性伏打电池的设计.

伏打电池可包括柔性器皿以及其它组件，例如导线、电极、改良的电极、微生物以及缓冲液。器皿由柔性塑料管制成，在正常操作期间两端密闭。举例来说，导线可为铜导线。电极可含有金属导线，其在操作时具有对比标准氢电极约+0.8到约+1.5V范围内的特征电势。除非另外规定，否则本文所列的全部电极电压都是对比标准氢电极。金属导线具有孔径的直径为约0.2μm的半渗透性膜薄圆周涂层。改良的电极含有特征电势在约-3.3到约+0.55V范围内的金属导线，所述改良为传导纳米线和/或量子点。微生物为水生微生物的非均质群，其中大多数能够进行光合成。缓冲液包括盐、矿物、糖、氨基酸、铵盐以及水。

高表面积伏打电池的设计.

伏打电池可包括器皿、导线、电极、改良电极、微生物以及缓冲液系统。在一个实例中，器皿由玻璃制成并且尺寸为约1英尺长×约1英尺宽×约0.34英尺高。导线为铜导线。电极包括二氧化硅。改良的电极由金属网格制成，所述改良为传导纳米管和/或量子点。微生物为水生微生物的非均质群，其中大多数能够进行光合成。缓冲液系统含有盐、矿物、糖、氨基酸、铵盐以及水。

移动水体中的固定伏打电池的设计.

浸入式伏打电池可包括器皿、导线、电极、改良电极、微生物以及缓冲液系统。器皿由容纳电池的金属盒制成，其可储存浸入式电池产生的电能和/或活化微生物或浸入式电池的其它特征。导线为铜导线。电极由金属制成。改良的电极含有石墨。改良为传导纳米管和量子点，用色素混合物预先涂布。微生物包括水生微生物的非均质群，精确组成取决于地形和水深度。缓冲液系统为海水。浸没于水体中的伏打电池的部分包括电极、改良的电极和导线。陆地上的伏打电池的部分含有器皿、导线以及任选的电池。

光捕获天线

在一些实施例中，光捕获天线组分群特征可为具有以下的组分群：(i)一或多种具有光子吸收能力的分子，(ii)在光存在下可导致激发光吸收分子或邻近分子的一或多个电子，以及(iii)其中激发电子可转移或(iv)其中来自激发电子的能量可转移。如下文更充分解释，光捕获天线组分群可包括以下中的一或多个：光合微生物、源自光合微生物的膜、源自光合微生物的膜囊泡、脂质和光捕获天线的大分子络合物、与脂质体复合的重组光捕获蛋白质、微胞、逆微胞、单层或源自与脂质体、微胞、逆微胞、单层或其它复合的光合微生物的其它光捕获天线。

光捕获天线群可用作电子供体和/或可含有能够吸收光能的生物化学物质和化学物质。光捕获天线群可为或含有合成和/或天然存在的：色素；光捕获络合物；光系统；光合反应中心；类胡萝卜素；叶绿素；绿色体、卟啉、二氢卟吩、菌绿素等。光捕获天线群可含有重组蛋白；来自光合生物的膜制剂；来自光合生物的外吐小体制剂、磨碎和冻干的光合生物；含有光捕获天线群的脂质体络合物等。

在一些实施例中，光捕获天线群含有均质群。在一些实施例中，光捕获天线群含有非均质群。在一些实施例中，伏打电池含有光捕获天线的非均质群。在一些实施例中，伏打电池含有光捕获天线的均质群。

伏打电池中光捕获天线群的布置可基于用途而变化。举例来说，天线群可布置成溶液；沉降层；一个以上层；例如集电器上的涂层；结合到电子虹吸管的表面；结合到电子传导材料的表面；结合到例如导线网状物的集电器等。天线群可布置于电子传导虹吸管与电子传导材料之间(例如传导路径中的连接)；可与电子传导虹吸管布置成交替层；可与电子传导材料布置成交替层；可与电子传导虹吸管和电子传导材料布置成交替层。在一些实施例中，光捕获天线群可布置在器皿的最外表面附近。在其它实施例中，光捕获天线群可含于器皿的一部分内。在本发明的一些方面中，光捕获天线群可被孔径小于约0.45μm；小于约0.22μm；小于约0.1μm；或小于约0.5nm的半渗透性屏障所含。在一些实施例中，半渗透性膜可含有电子传导材料。在一些实施例中，半渗透性膜完全或部分浸没于缓冲液中。

举例来说，光捕获天线群可与微生物细胞群以约0.0000001:1；约0.000001:1；约0.000001:1；约0.00001:1；约0.0001:1的mg:mg湿重比(光捕获天线群mg:微生物细胞群mg)混合，并且全部范围在这些实例的任何两个之间。

光捕获天线接受光子并且由此将电子激发到其可用于转移其能量的状态。有时，通过供给氧化还原介体或其它电子转运体发生转移。光捕获天线特征为其将辐射能转化成电能的效率。效率随波长、温度等变化。

可选择在代表使用光转化系统的环境条件的温度下具有最佳光捕获效率的光捕获天线。本发明的优选生物在-20到100℃的温度范围内具有光捕获能力(表2)。

天线群在不同光波长下可具有多种光捕获效率。在某些实施例中，光捕获天线组分群可同时捕获紫外光、可见光以及远红光。在一些实施例中，不同群具有不同激发波长频带。在某些设计中，伏打电池含有各自具有不同激发频带的两种不同群，所述频带实质上不重叠。换句话说，各频带中的大多数波长不重叠。

光捕获天线含有具有上述功能的化合物。其可另外含有固持此类化合物的媒介。所述媒介的实例包括络合物、超分子组合件、囊泡、细胞器、微生物等。

通常，光捕获天线化合物为电致发光材料或含有电致发光材料。在许多实施例中，其分子结构为并入有一或多个金属离子的环状有机物。金属离子包括锌、镉、锌、锆、钼、锰、镁、铁、铂、铜、铑、锇、铱等。

光捕获天线组分群可含有由与光捕获脂质体混合的光合微生物制备的光捕获膜。

光捕获天线可包括于以下各物中：光合微生物、源自光合微生物的膜、源自光合微生物的膜囊泡、脂质与光捕获天线的大分子络合物、与脂质体复合的重组光捕获蛋白质、微胞、逆微胞、单层或源自与脂质体、微胞、逆微胞、单层等复合的光合微生物的其它光捕获天线。

可通过混合一定比率的具有不同波长激发谱和生长需求的不同光捕获天线产生与气候相容的光伏电池来产生光捕获天线的调适组合物。产生光捕获天线群的选择标准包括：波长激发谱、亲热性、亲卤性、厌氧概况、营养需求以及与不同光捕获天线的相容性。相容类别的光捕获天线的实例包括具有相容营养和生长需求的光合微生物，例如地杆菌属、绿色硫磺细菌属(Chlorobium spp.)、斯瓦尼菌属(Shewanella spp.)等；基于单体和聚合金属的色素的发散波长激发谱，例如钛白、三氧化钛(纳米管、纳米带等)、锰紫、铬绿等；无机色素，例如赭黄、茶黄、青蓝等；以及生物色素，例如叶绿素、类胡萝卜素、花青素苷、甜菜红色素等。

根据电池的功率、耐久性以及器皿需求来预测用于伏打电池的微生物选择。在一些实例中，可根据定期从单元提供电流推注的能力选择微生物。因此，这些微生物最佳具有在其细胞组分中储存电子的能力并且因此具有电子沉降特性。这些微生物通常具有例如菌毛、原纤维、鞭毛的附属物并且还可为丝状形状。具有例如菌毛、原纤维、鞭毛以及类似结构的附属物的适合微生物的实例包括奈瑟氏菌属(Neisseria spp.)、埃希氏杆菌属(Escherichia spp.)、艾肯菌属(Eikenella spp.)、棒状杆菌属(Corynebacterium spp.)、红螺菌属(Rhodospirillum spp.)、红细菌属(Rhodobacter spp.)、水螺菌属(Aquaspirillum spp.)、假单胞菌属(Pseudomonas spp.)、小梨形菌属(Pirellula spp.)、念珠藻属(Nostoc spp.)、螺旋杆菌属(Helicobacter spp.)、地杆菌属(Geobacter spp.)、肠杆菌属(Enterobacter spp.)、发光杆菌属(Photobacterium spp.)、布鲁氏菌属(Brucella spp.)、疏螺旋体属(Borrelia spp.)、固氮弓菌属(Azoarcus spp.)、腰鞭毛目(Dinoflagellata spp.)、虫黄藻属(Zooxanthellae spp.)、固氮菌属(Azotobacterspp.)、副基体门(Parabasalia spp.)、气单胞菌属(Aeromonas spp.)、热球菌属(Thermococcus spp.)、甲烷嗜热菌属(Methanopyrus spp.)、热原体属(Thermoplasmaspp.)、火球菌属(Pyrococcus spp.)、甲烷球菌属(Methanococcus spp.)、除硫球菌属(Desulfurococcus spp.)、甲烷囊菌属(Methanoculleus spp.)、古细菌属(Archeoglobusspp.)、硫杆菌属(Thiobacillus spp.)、聚球藻属(Synechococcus spp.)、螺菌属(Spirillum spp.)、球衣细胞属(Sphaerotilus spp.)、瘤胃杆菌属(Ruminobacter spp.)、玫瑰杆菌属(Roseobacter spp.)等。丝状微生物的实例为：除硫球菌属(Desulfurococcusspp.)、链霉菌属(Streptomyces spp.)、螺旋藻属(Spirulina spp.)、钟虫属(Vorticellaspp.)、球衣细胞属(Sphaerotilus spp.)、黄藻纲(Xanthophyceae spp.)、丙酸菌属(Propionibacterium spp.)、念珠藻属(Nostoc spp.)、纤毛菌属(Leptothrix spp.)、弗兰克氏菌属(Frankia spp.)、厚皮藻属(Pleurocapsa spp.)、绿屈挠菌属(Chloroflexusspp.)、贝日阿托菌属(Beggiatoa spp.)、念珠藻属(Anabaena spp.)、黑粉菌属(Ustilagospp.)、磁螺菌属(Magnetospirillum spp.)等。

选择微生物使得所述微生物在伏打电池介导的储存电子回撤之后有活力。微生物细胞中的释放电子存储组分接着可随时间种群恢复直到随后需要通过伏打电池推注电流。具有适合地稳定电子储存能力的微生物的实例包括沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonaspalustris)、热醋穆尔氏菌(Moorella thermoacetica)等。周期性的时间范围可为每天一次、每3天一次、每7天一次、每两周一次、每个月一次等。所选微生物的代谢速率将决定伏打电池撤回电流的频率。

在其它实例中，可针对从伏打电池提供相当恒定水平的电流的能力选择微生物。此类微生物的实例包括奈瑟氏菌属、埃希氏杆菌属、红螺菌属、红细菌属、水螺菌属、红假单胞菌属、小梨形菌属、念珠藻属、地杆菌属、肠杆菌属、发光杆菌属、固氮弓菌属、腰鞭毛目、虫黄藻属、固氮菌属、气单胞菌属、热球菌属、甲烷嗜热菌属、热原体属、火球菌属、甲烷球菌属、除硫球菌属、甲烷囊菌属、古细菌属、硫杆菌属、聚球藻属、螺菌属、球衣细胞属、瘤胃杆菌属、玫瑰杆菌属、除硫球菌属、螺旋藻属、钟虫属、球衣细胞属、黄藻纲、丙酸菌属、念珠藻属、纤毛菌属、弗兰克氏菌属、厚皮藻属、绿屈挠菌属、念珠藻属、黑粉菌属、磁螺菌属等。因此，这些微生物最佳将具有不同代谢路径谱系以使其能够从不同化学和/或光源组产生游离电子。另外，微生物将具有产生游离电子的相对恒定速率(相较于大部分其它微生物)。选择微生物使得其在伏打电池连续电流回撤之后有活力。此类微生物的实例包括一些光能异养生物和一些化学异养生物。

在其它实例中，可针对耐久性选择微生物。此类微生物的实例包括红螺菌属、红细菌属、水螺菌属、红假单胞菌属、念珠藻属、地杆菌属、肠杆菌属、甲烷球菌属、除硫球菌属、硫杆菌属、聚球藻属、螺菌属、玫瑰杆菌属、除硫球菌属、螺旋藻属、念珠藻属等。持久微生物定义为能够以持续方式经受伏打电池中的条件。作为持久微生物的选择的因子的变数包括：代谢稳定性(例如具有两个或两个以上代谢路径)；基因稳定性(在环境应力期间突变的能力，即DNA聚合酶或RNA聚合酶中不校正/不编辑能力)；环境稳定性(在波动环境条件下随时间代谢活性的能力，即温度、光、压力等)；以及群稳定性(与其它微生物物种在群落中不营养物胜出即共同存在的能力等)。

在一些实例中，可能必需外加营养来维持微生物群的一或多个子单位的水平。定期需要的营养物的实例包括：磷酸盐、硫、硫化氢、硫酸盐、硝酸盐、乙酸、CO2、O2、氨、H2、Fe2+、Mg2+、Mn2+、Co2+以及其盐等。在其它实例中，必需外加的废物中和来维持微生物群的一或多个子单位的水平。定期需要的废物中和组分的实例包括：HCl、NaOH、碳酸氢钠、碳酸氢钙、螯合剂、CO2、O2等。

对于伏打电池中的自身维持微生物群，可基于优选代谢底物用途或优选代谢废物产物来选择微生物。可基于互补代谢配对所选微生物。在一些实例中，具有一种主要代谢类型的微生物可产生代谢废物产物，其用作具有第二类型的主要代谢的其它微生物的底物(或满足一些营养需求)，因此可以称一个微生物子单位与第二微生物子单位共生。此类微生物物种对有时称为互补。在其它实例中，伏打电池可含有两种或两种以上子组以共生方式相互代谢的不同微生物群。微生物群的代谢平衡可经设计或调谐以提供自身维持伏打电池。

通常，缓冲液中的另外两种微生物特征可为其主要代谢路径，这造成微生物可具有多种代谢路径，但在任何时刻，路径中的一者占代谢的比例比其它路径高。致力于主要代谢路径，在某些实施例中，互补微生物具有一定程度上彼此倒转的主要代谢路径。举例来说，一种生物可主要氧化某些含有N、C、S或P的化合物，并且互补生物体主要使第一生物体产生的氧化的含有N、C、S或P的化合物还原。当然，没有专门氧化或还原的生物；而是其氧化一些化合物并且还原另外的化合物。互补微生物的配对集中于主要代谢路径的底物和废物产物。理想地，一种生物的废物产物为氧化的含有N、C、S或P的化合物，其为另一生物的底物。继而，第二生物还原所述氧化的化合物产生第一生物的底物。在某些实施例中，缓冲液中的互补微生物一起组成至少约50％缓冲液的微生物含量，或至少约70％缓冲液的微生物含量，或至少约90％缓冲液的微生物含量。在某些实施例中，互补微生物的主要代谢路径为呼吸道路径。尽管上述论述关注两种互补微生物，但所述概念自然地延伸到三种或三种以上互补微生物。在一些情况中，两种或更多种微生物共用相同主要代谢路径或具有类似主要代谢路径。在其它状况中，缓冲液中的三种或三种以上互补微生物中的每一个具有不同主要代谢路径，但总体来说几乎不会或不会净消耗底物或产生废物产物。举例来说，第一微生物可消耗化合物A并且制造化合物B；而第二微生物消耗化合物B并且产生化合物C；以及第三微生物消耗化合物C并且产生化合物A。

伏打电池中形成自身维持群之后，可控制环境条件(日照、温度等)、伏打电池回撤的电子电流的时间安排和速率以及微生物细胞密度输入来维持共生。微生物选择将帮助产生极少反转的持续“动态平衡”群，但还可能需要调节多种输入和输出的控制。通过在伏打电池中使用感测器和反馈回路来采用此类调节帮助维持平衡。

也可以基于微生物的原生环境选择微生物。海水以及其底层沉积物构成生态圈的大部分。其为我们的行星的生物地球化学循环的关键，仍没有充分了解海洋微生物群落的组成、其代谢潜力和活性以及其与环境的相互作用。已做出大量工作来通过补充基于经典培养的方法的基于分子和基因组学的方法研究浮游群落栖息透光层。实际上，表面海水已成为基于小亚单元核糖体RNA(SSU rRNA)基因的扩增、克隆和定序微生物的多样性派尼尔研究的环境选择来记录物种多样性和染色体组多样性。然而，不同水团赋予了不同物理-化学特征。此类差异在受海岸输入和地域特征影响更大的近海尤其重要。举例来说，地中海水与开放海水非常不同，并且这看起来反映在宏基因组含量。地理位置因此可用作用于具体地理环境的伏打电池的微生物的选择标准。举例来说，地热出风口、裂缝、半咸水分水岭、半咸水沉积物、池塘、盐池、冰川冰、海洋沉积物、黄石酸池等。

在文献中提出的实验微生物燃料电池中，碳源为产生持续系统的昂贵障碍。举例来说，燃料微生物燃料电池和/或发酵系统使用糖发酵生物伴随着成本过高和按比例扩大不实际可行。因此，在某些实施例中，伏打电池和相关缓冲液实质上不含发酵生物，例如酵母。在一些实施例中，伏打电池实质上不含糖发酵生物，例如葡萄糖发酵生物。

选择和使用光捕获光养微生物以及化学养微生物为伏打电池中的持续电流产生提供更多持续群。在许多光养生物中，光的光子可产生1-3个游离电子(取决于微生物物种)，废物产物为CO₂、O₂、其它气体、无机分子、有机碳源以及作为废物产物的其它分子。这些废物产物可以被化学氧微生物用作能源。

化学营养生物之间存在显著多样性，数百种化合物中的记载能源从气体到金属、到无机化合物、到有机化合物范围内。这些化学物质的键断裂能以及分解过程期间产生的游离电子可变化。范围的实例包括每个起始分子1到超过6个游离电子，代谢废物产物为CO₂、O₂、其它气体、有机碳化合物、无机分子以及作为废物产物的其它分子。这些废物产物可以被群体中的其它化学营养生物使用或可被群体中的一些光营养生物使用。

已研究使用可发酵底物、发酵产物以及复杂有机物质作为电子供体的三价铁还原的可能性。举例来说，甚至在淡水和半咸水位置的水生沉积物中，微生物也证实了具有电子流动能力，在葡萄糖和赤铁矿富集之后尤其如此。在这些实例中，铁还原是电子流动和发酵产物积聚的次要路径，发酵产物可被伏打电池中的化学营养生物所用。在葡萄糖富集中使用非晶形三价铁氧氢氧化物取代赤铁矿进一步显示将铁还原提高50倍，因为发酵产物还可以被化学营养生物的相伴铁还原代谢。乙酸盐、氢、丙酸盐、丁酸盐、乙醇、甲醇以及三甲胺还显示在实验室条件下促进用沉积物接种的富集物中而不是未接种或热杀死对照物中的非晶形三价铁氧氢氧化物的还原。添加三价铁可抑制沉积物中的甲烷产量。通过多种形式的三价铁抑制甲烷产生程度已显示与这些三价铁化合物作为乙酸盐的化学养代谢的电子受体的效用。向群体添加乙酸盐或氢可解除三价铁对甲烷产生的抑制。行进到补充有非晶形三价铁氧氢氧化物的沉积物中的甲烷的电子等效物的减少可以通过二价铁中的电子等效物的相应提高来补偿。因此，铁还原可胜过沉降物有机物的产甲烷食物链。因此，当非晶形三价铁氧氢氧化物可用于厌氧沉积物中时和/或当选择用于伏打电池中时，电子从有机物向三价铁的转移可为有机物分解的主要路径并且可间杂有电子虹吸管或其它末端电子受体并且因此为伏打电池的电子电流产生源。

在另一实例中，气体或冷泉富集甲烷并且可直接以来自沉降物的气泡被看到，或可通过具有强氧化还原活性的暗斑暴露区的存在间接检测，其中微生物的硫酸盐还原就在表面下进行。这些斑块通常被共生菌和可能与共生细菌有关的双壳贝类以及硫化物-氧化细菌的垫定殖。伏打电池可包含平衡硫酸盐还原和甲烷产生的共生微生物群，即淡水沉降物缓冲液系统。硫酸盐还原细菌的实例包括脱硫杆菌目、脱硫球菌属(Desulfococcusspp.)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio spp.)、赤杆菌属(Erythrobacter spp.)、栖热孢菌属(Thermotoga spp.)、火棒菌属(Pyrobaculum spp.)、玫瑰杆菌属、红育菌属(Rhodoferaxspp.)、暗杆菌属(Pelobacter spp.)、羧基嗜热菌属(Carboxydothermus spp.)、劳索尼亚菌属(Lawsonia spp.)、甲烷球菌属、热脱硫杆菌属、除硫单胞菌属等。产甲烷菌的实例为：甲烷球菌属、甲烷囊菌属、甲烷泡菌属(Methanofollis spp.)、甲烷嗜热菌属、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina spp.)、甲烷球形菌属(Methanosphaera spp.)、甲烷嗜热杆菌属(Methanothermobacter spp.)等。

在另一实例中，γ-变形菌门为高度细菌多样性沉降物中的最丰富群体，其可与含有I族泉古菌门(Crenarchaeota)/奇古菌门(Thaumarchaeota)的古浮游生物部分混合，并且可与来自I族(例如杜博藻目(Duboscquellida))和II族(例如共甲藻目(Syndiniale))囊泡虫和放射虫主要浮游生物的广古菌(Euryarchaeota)，以及后鞭毛生物(Opisthokonta)和囊泡虫混合。

可存在许多其它实例，由此可选择所要代谢、细胞生理学、基因、生长条件、代谢速率和相容性。

尽管基于实验室的微生物燃料电池的许多研究采用包含来自丙三醇冷冻储备液的驯化菌株的纯微生物培养物，但此类菌株可能不适于如本文所披露的一些伏打电池。在某些实施例中，伏打电池采用天然状态的环境微生物。使用标准微生物的技术分离和培养的微生物已显示丢失“适合性”，即其失去其在实验室条件下不再需要的基因。如本文中所使用，术语“天然状态”指的是微生物具有其在变成实验室或工业微生物之前在天然环境中存在的基因型。因此，天然状态微生物倾向于比其实验室或工业对应部分更适合。在一实例中，环境沉降物置于伏打电池中。在一些实例中，在置于伏打电池中之前，环境沉降物与第二环境样品混合。这一方法的目标为维持尽可能多的天然观测的基因以使伏打电池中的天然状态微生物适合性针对最佳电流产量最大化。使用天然状态微生物优于实验室培养微生物的第二优势为其相比于实验室培养的微生物耐受外部应激源的能力和较高应力耐受性。具有较高基因丰度和增加的基因抗体库的起始群的优势使伏打电池中产生成功自身维持群的几率能大得多，因为实验室培养微生物比预先存在基因中的适度有益突变的微生物更难以从较小基因组自发地产生新基因。

对于用于伏打电池的环境分离和环境群体，可使用常规方法(例如光谱法、质谱法、基因定序和其它方法)进行环境样品测试来鉴别所要化学物质的存在和/或已知参与生物化学和/或代谢路径的所要基因的存在。

举例来说，可寻找认为是诊断具体酶促路径并且因此诊断具体代谢能力的具体基因和其各别蛋白质产物。这些包括氨单氧酶AmoA、AmoB和AmoC子单元(硝化)、4-羟基丁酰脱水酶(通过3-羟基丙酸酯/4-羟基丁酸酯路径的CO₂固定)、异化亚硫酸盐还原酶DsrA和DsrB子单元(硫酸盐呼吸)、异化亚硝酸盐还原酶子单元NirK和NirS(硝酸盐呼吸)、固氮酶子单元NifH和NifD(氮固定)、一氧化碳脱氢酶CoxLMS子单元(CO氧化)、RuBisCO(CO₂固定)、硫酸酯酶(磺化杂多糖的分解)、羟胺氧化还原酶HAO(厌氧氨氧化菌)、甲基辅酶A还原酶(甲烷的厌氧氧化)以及C-P裂解酶(膦酸盐利用)。选择性分析环境样品的所要基因是一种判断用于伏打电池中的群中的微生物所要组分的方法。

浮游生物中的古细菌amo基因丰富，表明马尔马拉(Marmara)浮游生物奇古菌门(Thaumarchaeota)为氨氧化剂。参与硫酸盐还原、一氧化碳氧化、厌氧氨氧化菌以及硫酸酯酶的基因在沉降物中过度呈现。基因组补充分析显示氏交替单胞菌(Alteromonasmacleodii)'表面生态型'、远洋杆菌(Pelagibacter ubique)以及海洋泉古菌(Nitrosopumilus maritimus)在1000m深浮游生物中高度呈现。

在缺氧沉积物中，硫酸盐还原一般伴随着较深沉积层中的产甲烷古细菌的活性。在冷泉环境中，例如马尔马拉海的局部区域中存在的那些，一些硫酸盐还原细菌与进行厌氧甲烷氧化的古细菌共生相关。可寻找甲基辅酶M还原酶的存在，其催化产甲烷作用中的最终步骤并且看似在逆转产甲烷作用中也具有作用，这是甲烷代谢古细菌的特征。编码来自巴氏甲烷八叠球菌(McrABCDG)的甲基辅酶M子单元以及来自未培养古核生物的参与甲烷的厌氧氧化的镍蛋白的那些(McrABG)的基因已用作对抗所选宏基因组的种子。然而，未检测到撞击。这与Ma29对应于不受冷泉活动剧烈影响的‘正常’底部沉降物以及其收集自沉降物核的表面并且因此在产甲烷层上方相符。

浮霉菌在沉降物中相对丰富，可判断存在可指示存在厌氧氨氧化菌活性的基因，即编码羟胺氧化还原酶的尤金伲亚穿梭菌(Kuenenia stuttgartensis)基因，厌氧氨氧化菌反应的一种关键酶。这一标记物和其它类似标记物可用于鉴别含有大量氧化还原酶作为电子载体源的样品，所述电子载体源能够被伏打电池中的电子虹吸管接入。

波罗的海细菌(R.baltica)的基因组中富含硫酸酯酶，并且一般来说海洋浮霉菌具有大量这些酶，所述海洋浮霉菌使用其初始分解硫酸化杂多糖，因此在这些丰富海洋化合物的再循环中具有重要作用。这些标记物可用于判断硫酸盐-再循环器，其可提供产生用于伏打电池中的其它亚群的生物适用硫源的方式。

最近已提议膦酸盐化合物用作P耗尽表面海水以及更多P富集深水中的重要磷源。如从功能筛选所推论，膦酸盐利用的已知基因但新颖路径富含宏基因组超微型浮游生物库。这些标记物可用于通过样品中的微生物测定膦酸盐用量，此可提供伏打电池中的其它亚群的产生生物适用磷酸盐源的方式。

许多海洋细菌中广泛存在CO氧化成CO₂作为替代或补充能源，所述细菌尤其包括高度通用和丰富的玫瑰杆菌属进化枝的成员。在地中海深水中检测到相对高丰度的一氧化碳脱氢酶基因，这表明深海微生物可进行与表面细菌浮游生物通过氧化CO所示的光异养类似形式的光异养。CO氧化在深水中的可能作用已受到批判，因为所述深度的CO源不清楚并且因为一氧化碳脱氢酶还参与中心C代谢的一些路径(例如产乙酸产甲烷菌中)。然而，与海岭和海底火山区有关的水热活性构成了深海中的CO的非常可能的来源，海岭和海底火山区在地中海实际上相当广泛。此外，含有一氧化碳脱氢酶基因的宏基因组福斯质粒(fosmid)的定序显示其组构成具有CO氧化细菌的典型结构的簇。因此，基于CO氧化的光异养实际上可为在深海中也获得自由能的适用策略。这可用于伏打电池中，因为采用CO氧化的所选微生物可减少电子虹吸管。

铵单氧酶为硝化的第一步骤中的关键酶。如古细菌优于细菌amoA基因的优势所表明，奇古菌门为土壤和海洋中氨氧化成亚硝酸盐的主要因素。然而，并非全部深海奇古菌门都具有amoA，表明许多深海古细菌并非化学光自养氨氧化剂。Amo基因因此可用作用于氧化微生物的标记物，所述微生物可用于伏打电池的子隔室以驱使伏打电池的增效。

另外，Ma101奇古菌门看似为化学光自养，因为其可具有用于4-羟基丁酰脱水酶的基因，所述酶为用于I族古细菌中的自养CO₂固定的3-羟基丙酸酯/4-羟基丁酸酯路径中的关键酶。除了这一C固定路径之外，样品中的许多微生物可含有RuBisCO大子单元(rbcL)，表明存在用于CO₂固定的更常规卡尔文循环(Calvin cycle)。这些微生物可用于伏打电池中，用于伏打电池中的额外微生物亚群的营养产生。

在另一实例中，基因组学和基因定序可鉴别用于伏打电池的相容微生物。从许多利用来自环境分离产生的基因库的核糖体DNA(rDNA)序列的系统发生分析的研究，δ-变形菌门中有许多与硫酸盐还原脱硫杆菌科(Desulfobacteraceae)合作，而且与不具有培育微生物的若干谱系合作，这表明其中一些也可为硫酸盐还原剂。在浮游δ-变形杆菌rDNA序列中，已从未培育基团SAR324鉴别出一些。同一样品中共同出现用于硫酸盐还原的基因表明SAR324能够还原硫酸盐。实际上，宏基因组克隆中存在某些代谢基因并且这一基团在氧耗尽水中的相对丰度表明SAR324可对应于厌氧或微好氧生物。使用本文详述的信息和方法的优势涵盖在伏打电池中选择和使用脱硫杆菌科和SAR324微生物用于电流产生。

微生物实例

在某些实施例中，光捕获天线组分群为光合微生物的群，其中光合微生物可执行非有氧光合成。在某些实施例中，光捕获天线组分群为有氧光合微生物的群。在其它实施例中，光捕获天线组分群为有氧和非有氧光合微生物的混合物。光合微生物可一种物种，但也可以为多种物种。适用于所披露实施例的此类微生物和光捕获天线的实例在表1中列出。

微生物细胞群可用作电子供体。微生物细胞群可含有有活性或无活性光合微生物、非光合微生物或光合微生物与非光合微生物的组合。微生物细胞群可含有0-100％光合微生物。在一些实施例中，微生物细胞群含有约35-80％光合微生物。在一些实施例中，微生物细胞群含有几乎约100％非光合微生物。如果使用光合微生物，那么光合微生物可为非均质物种和/或菌株的群。在其它实施例中，光合微生物群可含有均质物种或均质应力。如果存在，那么非光合微生物可含有非均质物种和/或菌株的群。在其它实施例中，非光合微生物可含有均质物种或均质应力。

在一些实施例中，微生物细胞群的组合物可通过混合一定比率的不同微生物物种、不同环境分离、不同环境样品、或各物种、分离、环境样品具有与所要气候最佳兼容的不同频谱波长吸光度和生长必需品的样品产生。产生微生物群的选择标准可包括：波长激发谱、亲热性、亲卤性、厌氧概况、营养需求、相容性等。在一些实施例中，伏打电池含有根据这些准则中的任何一或多个彼此补充的不同微生物物种或菌株。举例来说，两种物种可具有类似亲热性或亲卤性，但营养需求不同。

用于将光能转化成电能的伏打电池可含有包括光合微生物与非光合微生物的组合的微生物细胞群，其中光合微生物数目以约1.5:1比率超过非光合微生物；其中光合微生物数目以约3:1比率超过非光合微生物；其中光合微生物数目以约5:1比率超过非光合微生物；其中光合微生物数目以约500:1比率超过非光合微生物；其中光合微生物数目以约5,000,000:1比率超过非光合微生物；或上述值的任何两个之间的范围。在一些实施方案中,光合微生物数目以约1.5:1到约100:1比率超过非光合微生物。伏打电池可用于将细胞能转化成电能并且含有具有非光合微生物的组合的微生物细胞群。有时可以柔性方式用于将光能转化成电能并且有时将细胞能转化成电能的伏打电池含有具有非光合微生物与光合微生物的组合的微生物细胞群。

微生物细胞群在伏打电池中的布置可基于用途变化。微生物细胞可为布置成溶液；沉降层；一个以上层；涂层；结合到电子虹吸管的表面；结合到电子传导材料的表面；结合到导线或其它集电器等。微生物细胞可布置于电子传导虹吸管与其它电子传导材料(其可为虹吸管的部分)之间；可与电子传导虹吸管布置成交替层；可与电子传导材料布置成交替层；可与电子传导虹吸管和电子传导材料布置成交替层。在一些实施例中，微生物细胞群可布置在器皿的最外表面附近。在其它实施例中，微生物细胞群可含于器皿的一部分内。

在本发明的一些方面中，微生物细胞群可布置成伏打电池中的层；所述层可含有具有类似光吸收波长范围特异性的微生物。在一些实例中，关于最外器皿层的层顺序可为：红外吸收微生物，接着红光吸收微生物，接着橙光吸收微生物，接着黄光吸收微生物，接着绿光吸收微生物，接着蓝光吸收微生物，接着靛蓝光吸收微生物，接着紫光吸收微生物，接着紫外光吸收微生物，或沿电磁波谱进展的其它频率。更一般来说，其它级联波长排列可用于缓冲液的光捕获天线、微生物和辐射吸收特征。

微生物的多样性可向电极供给电子或从电极接受电子，其以全文引用的方式并入本文中。在一些情况下，人工电子转移促进并非必要。奥奈达斯瓦尼菌(Shewanellaoneidensis)主要通过用作可溶性电子穿梭子的黄素与电极相互作用。硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)通过外表面c型细胞色素与电极电接触。硫还原地杆菌还能够沿菌毛远程电子传输，菌毛称为微生物纳米导线，具有与先前在合成传导聚合物中所述类似的金属样导电性。菌毛网状物赋予硫还原地杆菌生物膜导电性，其充当传导聚合物，具有超级电容和晶体管功能。最近已研究硫还原地杆菌将电子通过相对厚(>50微米)生物膜传输到用作唯一电子受体的电极的机制。已证实在具有石墨电极作为电子受体的导流系统中或在相同石墨表面(但以反丁烯二酸盐作为唯一电子受体)上生长的硫还原地杆菌的生物膜产生电流。传导微生物和/或其纳米线具有若干可能性实践应用，但需要额外的基础研究以合理地最佳化。描述了用于微生物与电极之间更有效电子转移的电子虹吸管装置。还描述用于伏打电池的电子虹吸管装置。最后，描述用于水的伏打电池。

脂质体实例

具有光捕获天线分子的光捕获脂质体的群(例如表2中的那些)。

实例脂质体组分包括硬脂酰和二硬脂酰类的磷脂酰基胆碱、软脂酰和二棕榈酰类的磷脂酰基胆碱、磷脂酰基丙三醇和胆固醇。可向脂质体磷脂酰基丙三醇和/或胆固醇来赋予提高的温度稳定性。

群包括光捕获天线脂质体的混合物，脂质体含有10:8:2摩尔比的二硬脂酰基磷脂酰基胆碱:二硬脂酰基磷脂酰基丙三醇:胆固醇；光捕获天线含有细菌叶绿素a、细菌叶绿素b、细菌叶绿素c、细菌叶绿素d、螺菌黄素、视紫质、叶绿素a和叶绿素b的混合物。

群可含有1:1比率的制备膜和脂质体。最佳地，群含有1:10比率的制备膜比脂质体。

光合微生物与光捕获脂质体混合的群，其中光合微生物可执行有氧和/或非有氧光合成。

光捕获天线-各种实例

表1中列出示范性生物和其各别光捕获天线。

表1.微生物源光捕获天线组分的实例.

表2.天线和光捕获能力

光捕获天线的源

天然存在的源

光捕获天线组分群可从天然或合成池(大规模生长柱)培育和捕获，其具有常规实验室条件、按比例增大制造条件和光伏打太阳能面板床的培养基。

所披露实施例的微生物和微生物衍生物可通过标准微生物方法从一或多个地理位置和一或多种气候分离，包括用成分确定的培养基培养、在天然环境中培育和在太阳能面板农场培育。

制备能量转化电池

光捕获天线组分群可包括具有源自光合微生物的光捕获天线的膜。膜可通过超声处理、液压、挤压、酶促、低渗浴或其它常规机械或化学-机械方法从微生物制备。在添加到所披露实施例的电解质-缓冲溶液之前，膜可与缓冲溶剂和抗氧化剂混合物(例如非离子表面活性剂)混合。膜可由一或多种能够有氧和/或非有氧光合成的光合微生物物种制备。膜可独立地由具体光合微生物制备并且可以所要比率混合使能够在光波长范围实现光捕获能力。

天然存在的源的变异体

用于所披露实施例的微生物和微生物衍生物也可以通过制造一或多种微生物变异体的基因工程改造产生，所述变异体具有增加的光捕获天线含量和增加的光捕获能力来提高光捕获。

光捕获天线组分可另外包括一或多种每单位面积膜的光捕获天线组分数目增加的基因调节的光合微生物物种。基因调节的微生物可经诱导以提高增加微生物群中的光捕获天线的产量的基因表达。诱导增加的基因表达的方法包括(但不限于)：通过转座子基因敲入、通过质粒DNA的转基因的DNA重组、微RNA、基因活化RNA、与供体细胞共同培育来促进结合和噬菌体转导。

用于光捕获天线缓冲液的培养基

缓冲液系统可呈液体、凝胶或糊状物形式，并且在某些实施例中，可含有盐、缓冲剂、营养物、增稠剂以及一或多种其它组分。在一些实施例中，缓冲液系统还可含有色素或类似地简单光捕获天线。在某些实施例中，缓冲液包括电子供体、还原剂、盐、氨基酸、pH缓冲剂、碳源、氮源、硫源、氧源、痕量矿物、维生素辅因子或前述任何两者或两者以上的组合。一般来说，缓冲液组合物支持光捕获天线群随时间维持。另外，缓冲液可支持光捕获天线群在一或多种气候中在密闭系统中维持。

盐可按约10pg/L到约30g/L；约10mg/L到约500mg/L；约50mg/L到约50mg/L；以及约15mg/L到约5mg/L的范围内的浓度存在。在一些实施例中，盐以促进例如离子传导程度、营养含量等所要电解质特性的浓度存在。在一些实施例中，选择高离子传导性的盐。

可用的盐的实例包括氯化铝、氟化铝、氨、碳酸氢铵、铬酸铵、氯化铵、重铬酸铵、氢氧化铵、硝酸铵、硫化铵、亚硫酸铵、硫酸铵、过硫酸铵、过氯酸铵、硼酸、五氟化溴、氯化镉、硝酸镉、硒化镉、硫酸镉、硫化镉、氯化钙、铬酸钙、氰氨化钙、氟化钙、碳酸、氯化铬、硫酸铬、氯化铬、氧化铬、硫酸铬、碳酸钴、氯化钴、硫酸钴、氯化铜、氧化铜、硫化铜、碳酸铜、硝酸铜、氯化氢、氟化氢、硫化氢、碘酸、氯化铁、氧化铁、硝酸铁、硫氰酸铁、碳酸镁、氯化镁、氧化镁、磷酸镁、硫酸镁、磷酸镁、氧化锰、硫酸锰、氯化锰、氟化锰、磷酸锰、碳酸镍、氯化镍、硝酸镍、氢氧化镍、氧化镍、硝酸、过氯酸、五溴化磷、氯化铂、氟化钾铝、硼酸钾、溴化钾、氯化钾钙、硝酸钾、过氯酸钾、高锰酸钾、硫酸钾、硫化钾、铬酸银、硝酸银、氧化银、硫酸银、硫化银、铝酸钠、硼酸钠、溴酸钠、碳酸钠、氯化钠、碳酸氢钠、硫氢化钠、氢氧化钠、次氯酸钠、亚锰酸钠、硝酸钠、亚硝酸钠、高碘酸钠、过硫酸钠、磷酸钠、硫酸钠、硫化钠、硫氰酸钠、二氧化硫、硫酸、氯化锡、氯化钛、碳酸铀酰、溴化锌、碳酸锌、氯化锌、氟化锌、碘化锌、氧化锌、硫酸锌、硫化锌等。

选择缓冲液中的营养物将微生物群维持于能生产状态。举例来说，营养组分可含有以下中的全部或一些：硝酸盐、亚硝酸盐、氨、硫酸盐、亚硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氨基酸、糖、蛋白胨、酪蛋白胨、维生素、矿物、金属以及支持微生物生长和代谢的其它组分。营养物浓度可在约30pg/L到约300g/L；约1mg/L到约500mg/L；约50mg/L到约30mg/L以及15mg/L到约5mg/L范围内。

如果使用色素，那么色素可为电子供体和/或提供其它作用。其吸收特定波长的光并且反射或传输不吸附的波长的光。色素可提高光能捕捉；可将光反射到器皿内的周围环境；可将光反射到邻近光捕获天线；可将光反射到邻近微生物；可将光传输到器皿内的周围环境；可将光传输到邻近光捕获天线；可将光传输到邻近微生物；可减去(过滤)一或多种波长范围的光；和/或起其它作用。举例来说，色素可为：金属色素，例如含有镉、铬、钴、镍、锰、铁、钛、锌、铜的色素等；基于碳的色素，例如碳黑、象牙墨等；粘土色素；深蓝色色素；生物学有机色素，例如靛蓝、印地安红、泰尔紫等；以及其它生物和合成色素。在一些实施例中，缓冲液系统可不存在色素。在一些实施例中，色素可按约5重量/体积％(w/v)到约90重量/体积％(w/v)；约15w/v％到约70w/v％；约25w/v％到约60w/v％；约35w/v％到约50w/v％缓冲液系统范围内的浓度存在。

缓冲液可包括另外作为废物处理的营养物。一种此类实例是废水。废水中含有碳的化合物可被微生物使用产生电子。

电子虹吸管

电子虹吸管可含有从其它实体接受电子并且通过传导和/或半传导结构传输此类电子的电子接受部分。电子虹吸管可具有一或多种此类电子接受部分并且能够同时接受一或多个电子。在某些实施例中，电子虹吸管含有用于从含有膜的电子供体高效虹吸电子的膜对接位置，所述供体可为游离实体或例如光捕获天线的另一结构的部分；微生物；电子运载蛋白；以及在微生物的膜中的其它部分或与微生物的膜并列的其它部分。更一般来说，电子虹吸管可含有促进与任何形式的电子供体对接或简单接触的部分。

电子虹吸管的组分可由含有以下的材料制成：一或多种电子运载蛋白、聚合物、复合物、合金和碳的混合物、碳、硅、金属、胶体、陶瓷、铜、锌、石墨、不锈钢、三氧化钛、色素、光捕获天线、叶绿体、线粒体、电子运载分子、其它电子接受体分子以及任何这些的组合。在一些情形中，电子虹吸管可看作电子受体和电子供体；其将电子从缓冲液中的供体向伏打电池中的集电器引导。在一些实施例中，电子虹吸管用作初始电子供体与集电器之间的电子中继系统。电子虹吸管结构材料的实例包括碳、电子运载蛋白、聚合物、复合物、合金和碳的混合物、二氧化硅、金属、色素、铜、锌、不锈钢、三氧化钛等。

电子虹吸管可含有非晶形、结晶或部分结晶结构。结构的厚度可为单个原子厚度或多个原子厚度。在一些实施例中，电子虹吸管具有一体式形式，而在其它实施例中，其可装配，并且有时装配成综合体。电子虹吸管可成型为管、导线、螺旋、刚毛、片、刨花、点、粒子、球、薄片、膜、网格、网状物、网状结构等。电子虹吸管型式可包括这些中两者或两者以上的混合群。此外，各电子虹吸管可包括一或多种导线、螺纹、纤维、管、点、片、粒子或含有一或多种碳聚合物、金属、类金属、胶体或能够电子传输的其它结构的其它元件。电子虹吸管的群可包括以下的群体：管、导线、粒子、点、纤维、片、网状物等。

多个电子虹吸管可分组成上层结构，例如阵列、基质、悬浮液、一或多个层、聚合物等。对于例如缓冲液的伏打电池的其它元件，虹吸管可采用许多类型的结构，例如凝胶、共聚物、糊状物、半固体以及任何其它顺序的布置或随机布置。

电子虹吸管具有适于其作用(例如在电池中传导电子和/或从供体接受电子)的尺寸。有时，其经尺寸设定以与电子供体接合。在一些实施例中，虹吸管近似于细胞大小，或更小，例如几十微米到纳米级。在一些实施方案中，虹吸管具有约1-20nm(例如约4-5nm)的平均直径以及约10-50μm(例如约30μm)的平均长度。这一尺寸的虹吸管可布置在微生物的外表面上。在采用合成虹吸管的某些实施方案中，虹吸管的直径可为约2-10nm。此类虹吸管的组分可具有约50-100nm的尺寸。合成虹吸管的实例包括直径4-5nm并且长度30-80μm的重组pilA聚合物。合成虹吸管的其它实例包括量子点、量子导线、量子井、纳米管、纳米线等。电子虹吸管通常具有纳米级的尺寸，但可采用例如微米和毫米的其它尺寸规模。

可用于电子传导纳米结构的实例结构包括纳米粒子、纳米粉末、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米纤维、量子点、树状体、纳米簇、纳米晶体以及纳米复合材料。所述结构可由多种材料中的任一者制成，包括电子运载蛋白、聚合物、复合物、碳(例如富勒烯)、硅、金属(例如铜)、金属合金(例如不锈钢)、陶瓷、三氧化钛等。

电子虹吸管可具有均质或非均质组成。在完全均匀实施例中，电子携带组分和电子接受元件通过虹吸管紧密混合。作为不均匀电子虹吸管的实例，结构含有导电棒作为支撑底物并且用电子接受部分和对接部分均匀涂布。在另一实例中，对接和/或电子接受部分可位于导电底物的一侧或一个区域上。此类虹吸管结构可通过专门方向处理机构产生，例如在施加电子接受部分和/或对接部分期间将铁磁棒(虹吸管支撑结构的集合)在常见方向中对准的方法。

电子虹吸管可含有一或多种组分子单元，所述组分子单元装配有电子供体。在一些实施例中，电子虹吸管子单元连接到电子供体。在一些实施例中，电子虹吸管子单元连接到基质或其它组合件中并且连接到电子供体。在一些实施例中，电子虹吸管子单元独立地连接到电子供体，其组合接着可连接到其它电子虹吸管。如所解释，电子虹吸管可含有传导或半传导材料来传输虹吸管的另一结构接受或配合的电子。电子虹吸管可在电子供体存在下同时接受和配合一或多个电子。电子虹吸管可在电子受体存在下供给一或多个电子。

电子虹吸管接受和配合一或多个电子的倾向可部分由电子接受或配合部分从供体接收电子所需的势能所决定。电子虹吸管的电子配合部分的整体阴性小于电子供体。电子虹吸管的整体阴性可小于电子供体并且整体阴性比电子受体更高。电子配合部分的实例包括：精氨酸、赖氨酸、聚精氨酸、聚赖氨酸、铵、四丁铵、醌、泛醌、联苯、2,2'-联吡啶、偶氮基、胺基、NO₂基团、CN基团、萘二甲酰亚胺、[60]富勒烯、聚噻吩、三联吡啶、酰亚胺基、聚酰亚胺基、其衍生物等。

电子配合部分可通过多种偶合化学物质结合到电子虹吸管的其它组分，在电子虹吸管与电子配合部分之间产生共价键。

电子虹吸管可经设计以与微生物或其接合的膜对接但不将刺穿(或溶解)。虹吸管可用作虹吸管电子代谢或光合产生的附属物。电子虹吸管可含有偶合部分。偶合部分对电子供体或含有电子供体的物质可具有亲和力。偶合部分的实例包括抗体和其组分(例如F(ab)和F(ab')2片段)、蛋白质结构域、胆固醇、磷酸肌醇、磷脂、脂质A、脂多糖、甘露聚糖、脂阿拉伯甘露糖、脂磷壁酸、菌毛蛋白、PilA等。在某些实施例中，偶合部分结合到电子虹吸管的一或多个表面残基以使能够形成共价键。

在某些实施例中，为了与膜对接，虹吸管可具有疏水性部分。然而，全部虹吸管结构不应都为疏水性的，因为其可使所述结构刺穿膜。因此，在某些实施例中，虹吸管结构的一个部分为疏水性的并且另一部分不为疏水性的。在一些实施方案中，虹吸管结构的非疏水性部分带电(带正电或带负电)。可采用正电荷从膜中的电子传输组分向虹吸管吸引电子。

如果基质虹吸管结构为亲水性的(例如金属虹吸管结构)，那么其无需带正电。实际上，使一部分呈疏水性以促进膜对接。如果基质虹吸管结构为疏水性(例如碳虹吸管结构)，那么其无需进行处理以使其呈疏水性。实际上，其可经处理以使一部分带正电。

在某些实施例中，电子虹吸管基质结构经处理以使其在中性缓冲液中整体带正电。当虹吸管呈疏水性时，这可能适当。疏水性虹吸管材料的实例包括碳(例如碳纳米结构)、疏水性丙烯酸树脂、酰胺、酰亚胺、碳酸盐、二烯、酯、醚、碳氟化合物、烯烃、苯乙烯、乙烯醇缩乙醛、氯乙烯、偏二氯乙烯、乙烯酯、乙烯醚、酮、乙烯基吡啶聚合物以及乙烯吡咯烷酮聚合物。电子虹吸管材料可与ac型细胞色素、精氨酸、聚精氨酸、赖氨酸、聚赖氨酸、鱼精蛋白、组蛋白、铁(III)、铁-硫簇等共价结合。电子虹吸管材料的表面可具有例如镉、锌、锆、钼、锰、镁、铁、铂、铜、铑、锇、铱等金属部分。另外，电子虹吸管材料的表面可使用其它电子结合组分改性，所述组分具有(i)整体正电荷，(ii)电子结合能力以及(iii)中和常规合成传导材料(例如碳纳米管)的毒性作用的能力。可通过常规化学结合技术进行合成电子传导材料的改性，包括点击化学和涉及亲核攻击的化学交联以及在传导材料与带正电的电子结合部分之间的共价键形成。其它方法可包括使用UV照射诱发亲核试剂活化来产生形成于传导材料与带正电电子结合部分之间的共价键，也称为光交联。一般来说，改性涵盖虹吸管结构的仅一部分(例如仅其末端部分)。

如所提到，电子虹吸管可具有疏水性部分以促进与微生物、微生物膜、囊泡或含有电子运载组分的其它膜衍生物相互作用。如果基底材料并不疏水，那么改性必须产生疏水性部分。此类疏水性部分可通过共价结合固醇，例如胆固醇、含有类异戊二烯链的丙三醇-醚脂质、环丙烷以及环己烷或丙三醇-酯脂质(例如脂质A)、磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、鞘磷脂以及磷脂酰甘油来产生。可能需要疏水性处理的材料的实例包括金属纳米结构、类金属、胶体、复合纳米结构、亲水性聚合物，例如多糖、多元胺、蛋白多糖、抗体等。

在一个实例中，偶合生物和生物化学部分以使能够通过酸活化，随后添加碳化二亚胺、酰胺化、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳化二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺等来实现电子虹吸管活性和/或与一或多个电子供体的连接性。

在一些方面，微生物细胞群与电子虹吸管群混合。在一些实施例中，微生物细胞群可与电子虹吸管群按约1:1比率；约1:2比率；约1:3比率；约1:4比率；约1:5比率；约1:6比率；约1:7比率；1:10比率以及约1:30比率混合。

在一些实施例中，光捕获天线群可与电子虹吸管群混合。在一些实施例中，光捕获天线群可与电子虹吸管群按约1:0.5比率；约1:1比率；约1:2比率；约1:3比率以及约1:4比率混合。

在一些实施例中，电子虹吸管群可与微生物细胞群混合且可与光捕获天线群混合。光捕获天线群可含有人工和/或天然存在的天线，其吸收与微生物细胞群的吸收模式互补的波长范围内的光。在一些实施例中，电子虹吸管群可与微生物细胞群混合并且可与光捕获天线群混合，其混合比为约0.5:1:1比率；约1:1:1比率；约2:1:1比率；约3:1:1比率；约4:1:1比率；约5:1:1比率；约6:1:1比率；约10:1:1比率；约15:1:1比率；约30:1:1比率；约40:1:1比率；约0.5:1:2比率；约1:1:2比率；约2:1:2比率；约3:1:2比率；约4:1:2比率；约5:1:2比率；约6:1:2比率；约10:1:2比率；约15:1:2比率；约30:1:2比率；约40:1:2比率；约0.5:1:3比率；约1:1:3比率；约2:1:3比率；约3:1:3比率；约4:1:3比率；约5:1:3比率；约6:1:3比率；约10:1:3比率；约15:1:3比率；约30:1:3比率；约40:1:3比率；约0.5:1:4比率；约1:1:4比率；约2:1:4比率；约3:1:4比率；约4:1:4比率；约5:1:4比率；约6:1:4比率；约10:1:4比率；约15:1:4比率；约30:1:4比率；约40:1:4比率；约0.5:1:4比率；约1:1:4比率；约2:1:4比率；约3:1:4比率；约4:1:4比率；约5:1:4比率；约6:1:4比率；约10:1:4比率；约15:1:4比率；约30:1:4比率；约40:1:4比率；约0.5:1:5比率；约1:1:5比率；约2:1:5比率；约3:1:5比率；约4:1:5比率；约5:1:5比率；约6:1:5比率；约10:1:5比率；约15:1:5比率；约30:1:5比率；约40:1:5比率；约1:1:5比率；约2:1:5比率；约3:1:5比率；约4:1:5比率；约5:1:5比率；约6:1:5比率；约10:1:5比率；约15:1:5比率；约30:1:5比率；约40:1:5比率；约1:1:6比率；约2:1:6比率；约3:1:6比率；约4:1:6比率；约5:1:6比率；约6:1:6比率；约10:1:6比率；约15:1:6比率；约30:1:6比率；约40:1:6比率；约2:1:7比率；约3:1:7比率；约4:1:7比率；约5:1:7比率；约6:1:7比率；约10:1:7比率；约15:1:7比率；约30:1:7比率；约40:1:7比率；约2:1:8比率；约3:1:8比率；约4:1:8比率；约5:1:8比率；约6:1:8比率；约10:1:8比率；约15:1:8比率；约30:1:8比率；约40:1:8比率；约2:1:9比率；约3:1:9比率；约4:1:9比率；约5:1:9比率；约6:1:9比率；约10:1:9比率；约15:1:9比率；约30:1:9比率；约40:1:9比率；约2:1:10比率；约3:1:10比率；约4:1:10比率；约5:1:10比率；约6:1:10比率；约10:1:10比率；约15:1:10比率；约30:1:10比率；约40:1:10比率以及高达约40:1:20比率。

电子虹吸管可与所披露实施例的光捕获天线组分直接相邻定位。另外，所披露实施例的电子虹吸管可与电子运载组分直接相邻定位以清除光子介导的光捕获天线组分群激发产生的游离电子。电子虹吸管可沿微生物、微生物衍生的膜组分或具有嵌入的光捕获天线组分的囊泡的表面定位。

上述处理以直接邻近定位(即对接、包埋或结合(例如在抗体-抗原免疫络合物中)等)时维持微生物或微生物衍生的膜组分的光活性的方式改性电子虹吸管。另外，当对接此类电子虹吸管时，可保留微生物的代谢活性和微生物膜中的电子运载组分的电子传输能力。

另外，披露用于从光捕获天线组分直接清除电子以使能够跨越纳米级单元的方向性电子流动的生物安全改性的纳米结构单元。进一步披露用于从光捕获天线组分群直接清除电子以使能够跨越改性的纳米级组分群的方向性电子流动的生物安全改性的纳米级单位群。

在一些实施例中，电子虹吸管可包括连接(例如共价)到能够接触具有一或多个光捕获天线的微生物膜的带正电的电子受体分子的导电或半导电材料。所披露实施例的带正电电子受体分子可包括：精氨酸、赖氨酸、聚精氨酸、聚赖氨酸、热稳定电子运载蛋白或其衍生物等。

可以产生与玻璃面板并列的光捕获天线组分群的层的方式来制造器皿，所述面板与改性的传导性纳米级组分的层并列，所述层与电子流管板并列，所述电子流管板与绝缘注射模制的聚合侧壁和衬垫单元并列。改性的传导性纳米级组分可通过喷洒、摇摆和印刷应用于电子流管板。在一些实施例中，向光转化系统的电子流管板直接施加预混溶液，所述溶液包括：光捕获天线组分群和改性的传导性纳米级组分，其中溶液为所披露实施例的pH缓冲电解质溶液。

实施例的光转化系统包括：透光钢化玻璃顶板(图3，1002)，经建构以经受得起大温度范围并且针对具有最小折射特性的光渗透最佳化；一或多个抗UV垫圈1003，在玻璃顶周围产生防漏密封件以防止损失电解质缓冲溶液1004；在使光吸收性效率最大的方向中的光捕获天线组分群1005；与传导性纳米材料层1006并列以使光子激发的电子清除最大并且从光捕获天线群向传导性背板(例如集电器)汇集，所述背板接着将电流引导到外部电路1007。在所描绘的实施例中，光转化系统的主要部分具有注射模制的聚合绝缘侧壁和衬垫框架的壳体1008，其含有一或多个接入绝缘壁内所含的端口以使能够接入电解质缓冲溶液、光捕获天线组分群和传导性纳米级组分。

另外，本文提出生物安全改性的纳米级组分(图4，2002)用于通过纳米级组分与光捕获天线组分群2003直接接触清除光捕获天线分子上光介导的电子激发产生的激发电子的用途。

在一些实施例中，微生物可经选择以具有电子传导性纳米结构或诱导形成电子传导性纳米结构以去除多余电子(光合或代谢方式产生)。此类结构为微生物的解剖学扩展。此类结构可为：原纤维、菌毛、分泌系统(I型、II型、III型以及IV型)以及外来体。此类结构的组成可包括蛋白质、蛋白聚糖、脂质体、脂多糖。在某些实施例中，此类微生物纳米结构直接偶合到电子传导阳极或连接到阳极的传导性网状物。结构可通过添加以下来诱导：曝露于光(强度增加，通过透镜)，暴露于营养物或通过基因工程改造法上调编码参与产生解剖学扩展的基因产物的基因。

电子虹吸管基质

在一些实施例中，伏打电池可含有一或多种电子虹吸管基质。基质可含有布置成网状物或聚合物的电子虹吸管子单元阵列。网状物或聚合基质可通过共价偶合子单元以及通过子单元的静电相互作用来制造。

在一些实施例中，微生物细胞群直接结合到电子虹吸管基质。在一些实施例中，微生物细胞群直接吸附到电子虹吸管基质上。在一些实施例中，光捕获天线群直接结合到电子虹吸管基质。在一些实施例中，光捕获天线群直接吸附到电子虹吸管基质上。在一些实施例中，微生物细胞群体和光捕获天线群直接结合到电子虹吸管基质。在一些实施例中，微生物细胞群和光捕获天线群吸附到电子虹吸管基质上。

在一些实施例中，额外电子传导材料直接结合到电子虹吸管基质。在一些实施例中，电子传导材料直接吸附到电子虹吸管基质。在一些实施例中，电子传导材料与电子虹吸管基质通过半渗透性屏障分隔开。

电子虹吸管和伏打电池布置

布置1.电子虹吸管和电子供体群布置.

在一些实例中，源自伏打电池中的电子供体群的部件的电子可通过进入伏打电池的光子能量激发到较高能态。在一些实例中，源自伏打电池中的电子供体群的部件的电子可通过生物化学反应中的共价键能水解产生。在一些实例中，电子供体群可含有光捕获天线。在一些实例中，电子供体群可含有色素。在一些实例中，电子供体群可含有微生物细胞。源自电子供体群的部件的电子(图6，601到611)可被电子虹吸管群的部件(图6，612)捕捉。电子虹吸管群引导电子朝向伏打电池的集电器或电子传导部分，伏打电池向外部负载提供电子。从电子供体群捕捉的电子在一定方向(图6，613)中流动。电子流动方向也称为电流，可通过伏打电池内自发产生的电势差在伏打电池内形成，并且可任选地通过在伏打电池内形成极性的外部装置促进。电流方向可部分通过电子虹吸管群在伏打电池中的布置产生。电流方向可通过跨越伏打电池施加电势来进一步影响。电子虹吸管可以多个电子虹吸管可直接连接第二电子虹吸管并且由此第一电子虹吸管可接受来自电子供体的电子并且由此第二电子虹吸管可连接到第二电子虹吸管的方式来布置。

布置2.电子虹吸管和微生物细胞群的第二布置.

在一些实例中，电子虹吸管的混合物(图7，706)和电子供体群的部件的混合物(图7，701到705)的简单布置可置于伏打电池中。电子供体群的电子供体可含有微生物、色素、光捕获天线等。电子虹吸管群的电子虹吸管可含有传导性纳米粒子、传导性纳米线、传导性纳米管、传导性网格、导电板和/或其它元件。电子供体产生的电子可通过电子从供体转移到虹吸管(还可以是中间电子接受体)的事件被电子虹吸管虹吸。电子虹吸管可以多个电子虹吸管与一或多个电子供体并列布置的方式布置。电子虹吸管可以一或多个电子虹吸管可直接连接一或多个电子供体并且从电子供体接受电子的方式布置。一或多个电子供体用作从供体到伏打电池的集电器的电子传导路径中的节点或路径元件。

布置3.若干电子虹吸管的布置.

在一些实例中，碳的聚合物(图8(A-C))可为电子虹吸管中的传导材料。这一形式的碳聚合物可含有薄片、膜、网格、片、纤维、管、导线、点、粒子等。在一些实例中，电子虹吸管可含有纳米管、纳米线、纳米纤维、纳米粒子等(图8A，802)。在一些实例中，电子虹吸管可含有中空管、导线、小纤维、纤维、编带等(图8B)。在一些实例中，电子虹吸管可含有点、纳米粒子、微粒、球体、球形、多面体、中空多面体等(图8C)。可使用常规活化技术(例如酸活化)进行电子虹吸管的改性，岂可在电子虹吸管的一或多个残基上产生反应性化学部分。可在NHS、磺基-NHS、EDC、BMPH或其它连接基团存在下进行额外改性。

布置4.变化阵列的电子虹吸管.

电子虹吸管可为传导或半传导性质并且可以促进电子从阵列的一端行进到另一端的方式布置。电子虹吸管的布置可通过天然特性(例如范德华力(Van der Waalsforce))操控或可通过例如电子虹吸管共价偶合到阵列中的合成方式操控。在一个实例中，可布置电子虹吸管(图9A，903)的均匀集合，由此电子虹吸管901可与阵列903中的第二电子虹吸管接触。在某些实施例中，电子虹吸管含有改良902来促进阵列中相邻电子虹吸管之间的连接、促进电子传输、促进电子供体对接、用作电子传导材料的对接部位等。有时，键为约0到

的数量级。在另一实例中，电子虹吸管的不均匀阵列(图9B，905)以具有不同电子虹吸管特性的电子虹吸管类型901可与具有不同电子虹吸管特性的第二电子虹吸管类型904组合产生促进有效接受以及电子从不均匀电子供体群转移的电子虹吸管阵列的方式布置。这些类型的阵列可起多种功能并且取决于各种改性的存在。在一些实例中，改性可含有直接结合：带正电部分，例如(但不限于)带正电氨基酸、阳离子脂质、阳离子等；不带电部分，例如(但不限于)疏水剂、两性离子等；偶极分子，例如硝酮、1,2-偶极子、1,3-偶极子、胺氧化物等；结合分子，例如抗体、受体、配位体、NAD+、NADP+、FAD、FMN、FeS簇、血红素、辅酶Q等；以及酶，例如氧析出络合物、氧化还原酶等。

布置5.使用电子虹吸管捕捉代谢过程产生的电子.

离子通过膜的移动取决于两种因素：(i)现有化学物质(包括离子)的浓度梯度所引起的扩散力，以及(ii)电势梯度引起的静电力，藉此阳离子(例如(H⁺))沿电势向下扩散并且阴离子(例如OH^-)倾向于在相反方向中扩散。这两种梯度可一起表示为电化学梯度。在生物细胞和脂质体中，脂质层可用作离子通过的屏障。势能可由跨越脂质层的电化学差积聚产生并且这一能量可储存起来使用。在生物细胞膜中，活性传输方式的质子流产生跨膜的pH差和电荷差。其可描述为作为跨膜的质子和电压梯度(质子浓度差和电势差)的组合储存的势能的量度。电梯度为跨膜的电荷分离顺序(当质子H⁺在无相对离子(例如氯离子Cl^-)存在下移动时)。在生物系统中，电化学梯度通常用作质子原动力(PMF)。

在一些实例中，电子供体为微生物细胞。一般对于微生物细胞来说，通过微生物细胞膜中的电子传输链产生PMF(图5)，其用作质子泵，使用来自还原的电子载体的氧化事件的电子能(图5)产生氧化的电子载体(图10A，1004)将质子(氢离子，图10A，1006)跨越膜泵送出来，进入环境(图10A，环境电子，1009；环境，1007)，跨越膜分离电荷产生不同电子1005，其可重新进入微生物细胞1008进行细胞中的高能反应1002。

在一些实例中，电子供体为线粒体，并且电子传输链释放的能量用于使质子从粒线体基质移动到线粒体的膜间空间。质子移动离开线粒体在其内部产生较低浓度的带正电质子，导致膜内部上略微带负电。电势梯度为约-170mV。在线粒体中，PMF几乎完全由电组件组成，但在叶绿体中，PMF大部分由pH梯度形成，因为质子H⁺的电荷通过Cl^-和其它负离子的移动来中和。在任一情况下，ATP合成酶制备ATP的PMF必须为约50kJ/mol。

在一个实例中，电子虹吸管(图10B，1010)可接触集结电子传输链的膜的外表面(图10B，1001)。电子传输链通过还原的电子载体从生物化学和/或光化学反应馈入电子和质子(图10B，1003)，所述还原的电子载体可通过膜中的电子传输链的成员氧化1004。电子1005与质子1006的分离可以膜内方式进行。质子可以常规方式可排出1009到环境1007。当电子虹吸管1010可与膜1001紧邻、接触、与其共价连接或嵌入其中时，电子虹吸管可捕捉电子1011。

布置6.使用电子虹吸管捕捉脂质体产生的电子.

含有光捕获剂(例如色素、光捕获天线)并且在脂质体的内部和脂质体膜中的电子传输链(图11A，1101)的组分上分别含有还原和氧化的电子载体(图11A，1103和1104)的光捕获脂质体可用作电子供体。光能的捕捉和随后能量转换成高能电子形式可使电子能够被电子载体(图11A，1103)捕捉，其接着可将电子转移到电子传输链(图11A，1101)来重新产生氧化的电子载体(图11A，1104)。电子传输链的手段可谓能够分离质子(图11A，1106)和电子(图11A，1105)。在这些条件下，脂质体可不将电子传输到环境(图11A，1108)并且将囊泡内引导电子。在电子虹吸管(图11B，1110)存在下可接触含有电子传输链(图11B，1101)的脂质体膜的外表面。电子虹吸管可用于重定向电子在电子传输链中的路径并且可促进电子(图11B，1111)的捕捉。

布置7.伏打电池的侧视图.

在这一实例中，伏打电池包括在器皿(图12，1201)的一或多个表面上含有电子传导材料1202的器皿。器皿可进一步含有半渗透性膜1203来用作电子传导材料1202与能够接触一或多个电子供体1206的不同电子传导材料之间的可辨别屏障。半渗透性膜1203与集电器1204之间可存在

到50cm范围内的空间1207。电子传导特征穿透空间1207以允许从膜1203向集电器1204传导电子。空间中可存在缓冲液或其它离子传导介质。器皿可进一步包括电子虹吸管1205的布置，其可接触电子供体并且可接触缓冲液系统1208。

布置8.伏打电池管.

在一个实例中，柔性透明管(图13，1301)可含有具有电子传导材料1304的伏打电池1302，所述材料可通过半渗透性膜1303与电子供体群1305分隔开来产生跨膜的化学电势。在这一实施例中，管充当伏打电池器皿并且充当用于缓冲溶液流动的导管。管状器皿可缠绕或符合杆形状或与伏打电池有关的其它结构。

布置9.伏打电池支柱.

在这一实例中，伏打电池(图14，1402)布置于电子连接性基质1401。伏打电池可各自包括透明器皿，各器皿为支柱或其它竖直结构。各器皿可含有在电子传导材料1403周围的与电子虹吸管布置1405混合的电子供体群1406。电子传导材料1403周围可存在半渗透性膜1404来提高跨越膜的化学电势。

布置10.伏打电池中电路连接性的布置.

在一个实例中，伏打电池可含有电子传导材料(也称为阴极)(图15，1503)。阴极可连接到电子传导性导线1507。阴极可涂布有半渗透性膜1502在第二电子传导材料(称为阳极)1501之间产生电荷分离。在这一实例中，电子虹吸管群1505可布置成接触阳极1501并且可用作与电子供体群1504的界面，从供体群采集电子并且将电子传输到阳极。电子接着可行进到第二导电线1506并且最终进入栅格。

布置11.电子供体在电子虹吸管上以平行方式布置.

在一个实例中，电子供体(图16，1605)可在电子虹吸管布置1601处对接1606。对接可含有共价键形成、亲和力介导的相互作用(例如抗体-配位体驱动的亲和力、疏水性-疏水性相互作用等)等。来自电子供体1605的电子流可从供体行进到电子虹吸管1601并且向伏打电池中的传导性电子材料行进。

在一个实例中，一个以上电子供体1605和1607可在电子虹吸管布置1602处对接。对接可通过一或多种方式1606和1605介导。电子可从各电子供体流动到电子虹吸管布置1602并且向伏打电池中的传导性电子材料流动。

在一个实例中，电子供体1609与电子虹吸管布置1603之间可存在一个以上对接部位1610。电子可从电子供体通过一个以上对接部位流动到电子虹吸管布置。

在一个实例中，可在电子虹吸管布置1604处对接一个以上电子供体。在这一实例中，电子供体1611和1612可通过一种以上方法对接并且可以实质上平行的方式将电子转移到同一电子虹吸管布置，电子虹吸管布置上的电子流在一个方向1613中。

沿电子虹吸管布置的表面的一个以上点处的电子供体的对接布置使能够增加电子捕获并且可引起电子流量(也称为电流)增加。这一实例描述打算在电路中用于产生增加的电流的平行元件的设计。

布置12.串联布置伏打电池.

串联布置伏打电池可不成比例地提高电压和电流。在这一布置中，面板(图17，1701)可含有多个伏打电池1702，其各自具有阴极导线1706和阳极导线1705来分别将其连接到阴极1704和阳极1703的栅格。所述面板可含有阴极和阳极的阵列并且可分别连接到主阴极导线1707和主阳极导线1708。

布置13.伏打面板和电池组.

在这一布置中，伏打面板(图18，1801)可连接到栅格1804并且还可通过导线1803连接到电池组1802。在一些实例中，电池组充当外部极性产生介质，由此可通过从电池组的阳极和阴极通向伏打面板来测定伏打面板的极性。施加的电势可活化或提高特定微生物、光捕获天线或伏打电池的其它组分的活性。在一些实例中，伏打面板产生的过量功率可储存在电池组中。

布置14-浸入式伏打电池.

用于水产生的电的浸入式伏打装置可包括通过负载连接并且在浸入时具有不同电化学电势的两个电极。在一些实例中，装置可完全浸没在水体中。在其它实例中，装置的一部分可浸入水体中。水体的实例可包括池、池塘、湖泊、溪流、河流、海湾、海洋或人工水路。

在一些实施例中，用于在水体中发电的伏打电池包括两个电极，一个电极在电极周围具有半渗透性膜以防止微生物与电极接触但允许离子通过。膜可具有整体中性或稍微带电并且可排斥周围介质中来自一个电极的电子和/或阴离子。膜还可具有小于或等于约0.22μm的孔径。膜材料的实例包括聚丙烯、尼龙、二氧化硅等。膜可直接连接到电极的表面或可在电极周围的笼中。

电极可包括固体或半固体形式并且可构造成片、网格、晶格、刚毛、发泡体、簇、乳液等。电极表面可为平坦、点刻、圆形、环形、不对称等。

在一些实施例中，电极可以空间分隔方式布置成在电池之间具有约

到约10mm间距。在其它实施例中，电极可以空间分隔方式布置成在电极之间具有约10mm到约0.5m间距。在其它实施例中，电极可空间分隔约0.5m到约2m。在一些实施例中，电极可固定到静止表面。在其它实施例中，电极可通过导线或其它传导材料系栓并且可在水性环境中移动。

在另一形式中，一个电极接触电子虹吸管群。有时，电子虹吸管通过共价力、静电力或其它力连接到电极。电子虹吸管在连接到电极表面之前可布置成集合或直接在表面上布置。在一些实施例中，电子虹吸管可涂布到电极表面上。可规则或不规则地放置涂层。电子虹吸管涂层可依序施加，由此可施加电子虹吸管的第一层并且可施加不同电子虹吸管的第二层。在一些实施例中，电极表面经改性。在一些实施例中，电极表面经改性。在电子虹吸管连接之前可首先处理电极。处理可包括酸处理、热处理、氧化化学处理等。在一些实施例中，电极表面可用约1-500mM HCl、过氯酸、甲酸、乙酸等处理。在一些实施例中，电极表面可用热处理。在其它实施例中，电极表面可用过氧化氢、过氧化物、氢氧化物碱以及能够氧化电极表面的其它化学物质处理。所需处理不阻断电极的导电能力。

电极表面处理的一个目的为产生用于连接电子虹吸管的反应性基团。电极表面上可与连接电子虹吸管相容的反应性基团的实例包括-OH、-SH、-S＝O、环氧化物、-COOH、C＝O、-H、-NH、-NHS、-NH2、-NH3、叠氮化物、氟苯、酰亚胺等。在一些实施例中，电子虹吸管与经处理的电极表面的连接可通过范德华力、静电力或共价键进行。在一些其它实施例中，可通过键结和力的组合促进连接。处理电极表面之后，可根据需要进行电极表面的第二处理来产生共价连接部分来进一步促进通过共价键结的电子虹吸管连接。

电子虹吸管可包括芳香族氨基酸、苯、带正电的氨基酸、酚系化合物、芳香族化合物、铁-硫簇、类胡萝卜素、色素、蛋白质、蛋白质长丝等。电子虹吸管还可包括结构布置，其包括石墨烯、碳、金属、类金属、复合物、胶体等。在一些实例中，电子虹吸管可经改性。电子虹吸管的改性可包括连接一或多个额外电子虹吸管。在一些实例中，电子虹吸管的改性可在其于伏打电池中的布置之前进行。在其它实例中，电子虹吸管改性可在其于伏打电池中的布置之后进行。

在一个实例中，电子虹吸管的预先布置的一部分可使用芳香族氨基酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸等活化和改性。在另一实例中，电子虹吸管的预先布置的一部分可使用色素活化和改性。在另一实例中，电子虹吸管的预先布置的一部分可使用PilA、c型细胞色素、OmcZ等活化和改性。

用电子虹吸管改性的电极可从含有微生物的水体捕获电子。电极的浮现于水中可产生可测量的电流。可使用经电子虹吸管改性的电极产生增加的电流。使用电子虹吸管提供多种目的：(i)其可增加电极的表面积，(ii)其可提供与水体中的微生物接触的部位，(iii)其可提供电子捕获部位，(iv)其可提供与动态流体接界的三维表面，(v)当施加机械力时其可用作冲击的固体表面等。

移动含有微生物的水体可增加微生物表面与电极之间的冲突频率。含有电子虹吸管的电极可进一步增加表面积并且因此增加微生物与电极之间可能存在的冲突数。电极上电子虹吸管的最佳数目、布置和组成可进一步提高水生微生物的膜到电极表面的电子转移。移动水体的实例包括海洋、湖泊、池塘、溪流以及河流，以及人造水路，例如水坝、栈道高架水渠、水渠等。

在一个实例中，伏打电池包括2个电极，其中一个涂布有半渗透性膜，其膜具有约0.2μm的排阻极限(使微生物不与电极接触)。另一电极可涂布有电子虹吸管。包括电极的伏打电池的一部分浸入水性环境中。水生微生物与电极的相互作用可为被动或便利的。微生物膜到电极的电子转移可以施加外部物理力时增加的速率进行(例如波浪作用)。施加到微生物表面的力可驱逐额外电子，所述电子可被电极上的电子虹吸管捕捉。在一个实例中，伏打电池包括多个电极，其子单元涂布有半渗透性膜。其另一子单元可通过电子虹吸管改性。

用于导向外部辐射的光学组件

镜子、透镜、过滤器、折射元件或其它几何光学组件可定位于伏打电池的器皿中或可定位于器皿外部将光能反映或集中到器皿中。在一些实施例中，镜子可用于含有光合微生物细胞群的伏打电池中。镜子可含有能够反射或集中光的反射表面。具有光伏打特性的伏打电池可含有一个以上镜子以及一个以上透镜来导向光和聚焦光，使光捕捉能力最大。

调节器

伏打电池可包括调节器子系统，其含有影响伏打电池的一或多种特征的调节组件。在一些实施例中，调节器子系统用于影响以下特征中的一或多者：电子传导速率、离子传导速率、光偏振、还原剂浓度、氧化剂浓度、碳源浓度、氮浓度、磷浓度、硫浓度、痕量矿物浓度、辅因子浓度、螯合剂浓度、pH、电子虹吸管、光捕获天线浓度和/或其它伏打电池参数。调节器子系统还按规则或周期性基础可从伏打电池释放所述特征中的一或多者和/或将所述特征中的一或多者结合到伏打电池。调节器可响应于所感测的条件从伏打电池释放所述特征中的一或多者和/或将所述特征中的一或多者结合到伏打电池，所述条件用作对伏打电池内的一或多种条件的一或多种反馈响应。结合或释放的特征的实例包括酸或氢离子、碱或氢氧离子，或抑制或增强微生物代谢的其它物质。在一些实施例中，调节器按周期性基础(例如以分钟、小时、天或周的数量级)释放或清除一或多种物质。

在一些实施例中，调节器子系统可含有一或多个调节器组件。调节器组件可含有以下各者中的一或多者：感测器、检测器、泵、喷射器、容器或反馈系统中的其它组件。调节器可监测伏打电池中的一或多个特征，包括(但不限于)：功率、电流、电压、电阻、pH、还原电势、氧化电势、营养物浓度、废物浓度、光密度、折射率、吸光度、发光亮度、温度、粘度、离子强度等。

在一些实施例中，调节器子系统可含有一或多个感测器。感测器可监测缓冲液的条件；微生物群的产物；光捕获天线群的产物；和/或伏打电池的传导末端电子受体群的产物。感测器可执行的感测的实例包括(但不限于)：pH、还原剂浓度、氧化剂浓度、氧化还原电势、电压、电流、电阻、电功率输出、电流、粘度、浊度、气体浓度、压力、温度、氨基酸浓度、矿物浓度、碳浓度、气体浓度等。在一些实施方案中，调节器子系统将作为自动调整伏打电池中的参数的反馈系统执行。在一些实施方案中，当感测电池参数时，调节器系统提供通知或报警。此类通知或报警可在计算系统中提出以供工艺管理员或负责监测和/或校正伏打电池的操作的其它个人观测。

实例

实例1

含有嗜热性光合混合微生物群作为光捕获天线组分群的光转化系统

本文提出作为用于光转化系统的光捕获天线组分群的混合微生物群。混合微生物群含有部分着色菌属(Chromatium spp.)、部分绿屈挠菌属(Chloroflexus spp.)、部分玫瑰弯菌属(Roseiflexus spp.)以及部分紫杆菌属(Porphyrobacter spp.)，其具有在光转化系统中的最佳协同作用。微生物分别使用标准技术培育并且接着在缓冲电解质溶液中稀释之前混合到原料浓缩物中，其准备好通过样品入口端投予到所制备的光转化系统。

红色硫黃细菌属(Chromatium spp.)属于光合细菌着色菌属属，其可居住于多种环境中。微温着色菌物种为高G-C革兰氏阴性(gram-negative)杆状光合嗜热性细菌。这一生物在48-50℃的最佳温度下光自养生长并且使用硫化物作为电子供体。所述细菌合成细菌叶绿素ap和类胡萝卜素细菌红色素和螺菌黄素，其定位于生物的膜部分。

绿屈挠菌属为绿色非硫细菌的成员。嗜热光合绿曲菌(Chloroflexusaurantiacus)为丝状嗜热性非氧光异养细菌，其最佳生长温度为54-57℃，但可在高于70℃的温度下生长。另外，嗜热光合绿曲菌可在氧气存在下存活并且必要时可固定无机碳。嗜热光合绿曲菌合成细菌叶绿素a和细菌叶绿素c，其位于生物的膜部分中。

玫瑰弯菌属为光合绿色非硫细菌的成员。玫瑰弯菌属为未分支多细胞丝状嗜热细菌，最佳生长温度在45-55℃的范围内。许多玫瑰弯菌属合成菌视紫红质和细菌叶绿素a、γ胡罗卜素衍生物作为其膜部分中的光色素。

嗜热紫杆菌(Porphyrobacter tepidarius)为中等嗜热性好氧异养并且光合细菌，最佳生长温度为40到48℃并且使用有机碳源生长。细菌合成OH-β-胡罗卜素硫酸盐衍生物、念珠藻黄素(nostoxanthin)以及细菌玉红黄素(bacteriorubixanthinal)作为光吸收色素。

实例2.

从绿色硫细菌分离作为光捕获天线组分群的含有具有芬娜-马修斯-奥尔森(Fenna-Matthews-Olson)色素-蛋白质络合物的膜的光转化系统

光合微生物用途与其膜中的结构蛋白质并列的色素网状物来使用光能从供体分子产生和捕获电子。在大部分微生物中，随着电子移动通过色素-蛋白质络合物而损失能量。在绿色硫细菌中，通过系统的电子效率(称为芬娜-马修斯-奥尔森络合物)为高效率并且电子转移过程中极少损失能量。

本文提供光转化系统，其含有由在厌氧条件下通过标准方法(韦兰(Wahlund),1991；巴特纳(Buttner),1992)培育的绿色硫细菌制备的膜。接着在缺氧条件天通过弗氏压碎器(French press)制备膜，以保持色素的光捕获性质和与膜有关的结构蛋白质络合物。回收的膜内容物接着与缓冲电解质溶液混合，并且接着通过样品入口端向所制备的光转化系统投予。

实例3.

含有改性的单壁碳纳米管作为传导性纳米级组件的光转化系统

细胞色素络合物(Cyt c)为属于细胞色素c蛋白质家族的小血红素蛋白(100-104个氨基酸)。Cyt c为极易溶蛋白质，其已在大肠杆菌中成功地过度表达并且通过常规纯化方法(杰恩(Jeng)，2002)纯化。Cyt c通常为哺乳动物粒线体膜、植物和许多微生物的主要组分。Cyt c具有显著氧化还原电势(0.246伏)和电子转移能力，因为其为电子传输链的基本组分。

本文提出含有与重组Cyt c功能上不对称的单壁碳纳米管(SWNT)的光转化系统，产生用于从光捕获天线组分群清除电子的生物安全界面。SWNT制备成通过将重氮盐喷洒到SWNT的一部分上来产生羧酸部分来官能化。接着将EDC施加到SWNT以活化-COOH部分并且在磺基-NHS存在下稳定。接着在淬灭之前，通过Cyt c的表面赖氨酸残基上的伯胺置换磺基-NHS(基于来自勒纳(Lerner),2013的方法)。使SWNT的Cyt c官能化的电子清除活性最大的条件在于在SWNT-特异性活性部位与Cyt c的1-2个赖氨酸残基之间产生共价键，保持剩余赖氨酸残基协调电子结合特性。

Cyt c官能化SWNT的裸端以使SWNT的Cyt c增浓端能够具有面朝外的方向以使Cytc增浓端能够与光捕获天线组分群直接相互作用的方式直接施加到背板。

实例4

用于传导电流的合成传导和/或半传导材料可能对生物学电池不友好。在图19的实例中，从半咸水水源分离的光合和非光合微生物群与离子性缓冲液系统混合并且接着引入到具有可去除式盖子的透明聚乙烯器皿中。置于器皿内部的是导电铜片和热处理的导电氧化铜片，每个片的表面平行于彼此并且关于微生物群/缓冲液系统垂直放置。导电金属片的部分浸入微生物群/缓冲液系统(0.25英寸)中，其余部分暴露于空气。在时间0将微生物群引入到器皿中时立即测量的电池产生的电压和电流为0。电池接着暴露于持续白炽光，并且电压和电流的量以高达1小时的规则间隔测量，如每15分钟通过电压表和电流表测量。1小时时，未经改性的合成碳纳米管添加到转化电池中并且测量到电流和电压降低，伴随转化电池中的缓冲液的表面上有溶解的微生物碎片的外观。这一实例表明需要改性的纳米管来提供生物安全电子虹吸管。

实例5

另外，在图20中，从半咸水水源分离的光合和非光合微生物群与离子性缓冲液系统混合并且接着引入到具有可去除式盖子的透明聚乙烯器皿中。置于器皿内部的是导电铜片和热处理的导电氧化铜片，每个片的表面平行于彼此并且关于微生物群/缓冲液系统垂直放置。导电金属片的部分浸入微生物群/缓冲液系统(0.25英寸)中，其余部分暴露于空气。展现在时间0将微生物群引入到器皿中时立即测量的电池产生的电压和电流。电池接着暴露于持续白炽光，并且电压和电流的量以规则间隔测量。4小时时，生物相容的L-精氨酸改性的单壁碳纳米管引入701到能量转化电池中的微生物群并且导致可检测电压和电流显著提高。5小时时，切断703光并且转化电池产生的所得功率降低，但经几小时的黑暗并未回到基线程度，表明能量转化电池从非光合微生物代谢产生功率。

尽管为了便于理解已在一些细节方面描述了前述内容，但所描述的实施例视为是说明性而非限制性的。所属领域普通技术人员显而易知，在所附权利要求书的范围内可实施特定改变和修正。

Claims (31)

1.一种伏打电池，其包含：

(a)包含离子传导介质的缓冲液，所述包含离子传导介质的缓冲液具有(i)包含第一微生物物种的电子供体群和(ii)电子虹吸管群，其中各个所述电子虹吸管包括：

(1)用于从所述第一微生物物种捕获电子的电子接受组分，以及

(2)用于传导电子的电子传导元件，其中所述电子虹吸管群中各个电子虹吸管包括至少一种纳米结构，并且进一步地，其中所述电子传导元件被配置为在运行期间从所述电子接受组分传导电子；

(b)至少部分含有所述缓冲液中的电子供体群和所述电子虹吸管群的器皿；

(c)配置成用于向外部电路或负载提供电子的阳极；以及

(d)阴极。

2.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述至少一种纳米结构选自包括纳米粒子和纳米粉末的群组。

3.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述至少一种纳米结构选自以下组成的群组：纳米管、纳米线、纳米棒、纳米纤维、量子点、树状体、纳米簇、纳米晶体以及纳米复合材料。

4.根据权利要求1所述的伏打电池，其进一步包含将所述缓冲液分成阳极隔室和阴极隔室的离子可渗透并且电子供体不可渗透的屏障，由此防止所述电子供体群与所述阴极接触。

5.根据权利要求4所述的伏打电池，其中所述离子可渗透并且电子供体不可渗透的屏障为电子传导的。

6.根据权利要求4所述的伏打电池，其中所述离子可渗透并且电子供体不可渗透的屏障接触所述阳极。

7.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述第一微生物物种包含光捕获天线。

8.根据权利要求7所述的伏打电池，其中所述第一微生物物种通过第一频带中的电磁辐射激发，并且其中所述缓冲液中的至少一种其它微生物物种通过第二频带中的电磁辐射激发，其中所述第一频带和所述第二频带实质上不重叠。

9.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述第一微生物物种包含光营养或化学营养微生物。

10.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述第一微生物物种具有原纤维和/或丝状形状。

11.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述第一微生物物种具有菌毛和/或鞭毛形状。

12.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述电子虹吸管群的所述电子虹吸管具有至多500微米的中位尺寸。

13.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述电子虹吸管群在所述缓冲液中形成组合件，所述组合件配置成从所述电子供体群向所述阳极传导电子。

14.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述第一微生物物种具有参与细胞呼吸的第一主要代谢路径。

15.根据权利要求1所述的伏打电池，其中，在运行期间，所述电子供体群产生的电子通过所述电子的转移事件被一个或多个所述电子虹吸管从所述电子供体群虹吸到所述纳米结构。

16.根据权利要求1所述的伏打电池，其中，所述电子虹吸管群中的至少一些电子虹吸管被配置成用作从电子供体到所述伏打电池的集电器的电子传导路径中的节点或路径元件。

17.根据权利要求1所述的伏打电池，其中，所述电子虹吸管群中的一个或多个电子虹吸管中的所述电子传导元件包含碳。

18.根据权利要求17所述的伏打电池，其中，所述电子虹吸管群构成膜、网格、片、纤维、管、导线、点或粒子。

19.根据权利要求17所述的伏打电池，其中，所述电子虹吸管群构成薄片。

20.根据权利要求1所述的伏打电池，其还包括：

光转化系统，所述光转化系统具有对于光渗透最佳化的玻璃顶板；

在所述玻璃顶板周围形成防漏密封件的一个或多个抗紫外(UV)垫圈；和

经配置成用于光吸收的光捕获天线组分群，其中所述光捕获天线组分群的光捕获天线与传导性纳米材料层并列。

21.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述电子传导元件包含选自由以下物质组成的群组的材料：碳、金属、类金属、复合物和胶体。

22.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述电子传导元件包含石墨烯。

23.根据权利要求1所述的伏打电池，其中各个电子虹吸管具有用于与所述第一微生物物种对接，但不溶解所述微生物的细胞的对接部分。

24.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述阳极和所述阴极中的至少一者包括金属。

25.根据权利要求1所述的伏打电池，其中所述第一微生物物种具有第一主要代谢路径，其中所述电子供体群进一步包含具有第二主要代谢路径的第二微生物物种，其中所述第一主要代谢路径产生废物产物，所述废物产物用作所述第二主要代谢路径的底物，并且其中主要代谢路径都不主要为葡萄糖发酵。

26.根据权利要求25所述的伏打电池，其中所述第一微生物物种为化学营养的并且所述第二微生物物种为光营养的。

27.一种用于伏打电池的缓冲液，所述缓冲液包含：

离子传导介质；

电子供体群，所述电子供体群在所述离子传导介质中提供电子，

其中，所述电子供体群包含第一微生物物种，以及

浸没在所述缓冲液中的电子虹吸管群，其中各个电子虹吸管具有：

(1)用于从所述第一微生物物种捕获电子的电子接受组分，以及

(2)用于传导电子的电子传导元件，其中所述电子虹吸管群中各个电子虹吸管包括至少一种纳米结构，并且进一步地，其中所述电子传导元件被配置为在运行期间从所述电子接受组分传导电子到阳极。

28.根据权利要求27所述的缓冲液，其中所述至少一种纳米结构选自包括纳米粒子和纳米粉末的群组。

29.根据权利要求27所述的缓冲液，其中所述至少一种纳米结构选自以下组成的群组：纳米管、纳米线、纳米棒、纳米纤维、量子点、树状体、纳米簇、纳米晶体以及纳米复合材料。

30.一种伏打电池，其包含：

(a)包含提供有电子供体群的离子传导介质的缓冲液，其中所述电子供体群包含具有第一主要代谢路径的第一微生物物种和具有第二主要代谢路径的第二微生物物种，其中所述第一主要代谢路径产生废物产物，所述废物产物用作所述第二主要代谢路径的底物；

(b)至少部分含有所述电子供体群和电子虹吸管群的器皿；

(c)阳极，其中所述阳极配置成用于从所述电子供体群接收电子并且向外部电路或负载提供电子；以及

(d)阴极，

其中所述阳极和所述阴极中的至少一者包括金属。

31.根据权利要求30所述的伏打电池，其中所述阳极和所述阴极中的至少一者包括铜。

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