若干世纪以来，能使食物转化为电流的微生物一直被视为生物珍品，现在，科学家想把它们用作第三世界的能源，用于工业垃圾发电的反应器，用于手表和照相机中。
从L. 巴斯德（法国化学家，1822 ~ 1895）和J. 李斯特（英国外科医生，1827 ~ 1912）的年代起，一般的文献就把微生物描述为人类凶恶的敌人。然而在最近几年，生物技术已经表明，这些小家伙对我们分外友好，实际上可能对我们有益。其他方面的进展也表明，微生物发电的潜力是很大的。
现在已经有基于生物电化学原理的传感器和电池等样机装置。这些装置依靠细菌和面包酵母等其它微生物的功能，通过产生电子流的过程使食物分解，产生的电子则与氧起作用。这种过程称为呼吸过程。可以期望的生物电化学的应用，将包括生物样品的细胞计数器、把蔗糖等燃料直接转化为电流的电池和清除工业垃圾的生物反应器等。
十八世纪，意大利医生及物理学家L. 伽凡尼在青蛙腿上发现了“动物电”，从而把电与代谢过程联系了起来。微生物燃料电池的核心概念是：细菌通过称为还原的化学过程释放出电子。十九世纪，细胞生物学家即利用这种反应来使生物组织样品染色。活组织能吸收染料并使之还原。还原过程即能使各个细胞内的不同部位呈现不同的颜色变化。这种颜色变化有助于细胞生物学家鉴别微生物并对微生物进行计数。
1910年，达累姆大学植物学教授M. C. 波特尔宣布，微生物能够产生电压并发生电流。他把一个铂电极放入面包酵母或大肠杆菌的培养液中。这个电极作为负极，产生一个相对于第二个电极的负电势，第二个电极是在不含微生物的培养液中作为正极用的，波特尔直觉地认识到，这种微生物燃料电池的电子是由微生物的食物降解产生的。他无法用当时仅仅属于想象的代谢过程的生化原理来解释他的实验结果。但当时的科学界并没有因此而畏缩不前。
所来，微生物学家和酶学家阐明了细菌中的酶是如何氧化其食物的。那时波特尔的微生物燃料电池已基本上被遗忘了。1913年，剑桥大学的柯恩复活了波特尔的思想。他记述了微生物燃料电池的电池组产生35伏以上电压的情况。然而，直到宇航世纪的来临和出现了石油匮乏，才重新引起对这一课题的注意。
本世纪六十年代，美国国家航空和航天管理局曾支持许多生物电的研究计划，如把有机垃圾转化为电流的宁法。一些研究者用酵母或细菌使葡萄糖、椰子油和谷类表皮等燃料发酵，产生乙醇或氢等二次燃料。然后普通的燃料电池再氧化二次燃料产生电能。这种电池的样机可供晶体管收音机使用。后来由于美国国家航空和航天管理局的兴趣减退，费用缩减，许多研究未免过于仓促，而微生物燃料电池的研究工作在日本一直在继续进行着，与此同时，燃烧氢等燃料的普通的燃料电池也有了充分的发展。
通常，使用二次燃料的燃料电池，由于发酵会放热而丧失能量，故能量利用率较低。六十年代，在南美和美国，有少数科学家把波特尔和柯恩比较直接的方法保持了下来。其中有一个是美国人M. 阿伦，他阐明了大肠杆菌的代谢行为。但阿伦未能使微生物的食物转化为电流的转化率超过1%。
另一些科学家则率先采用各种不同的细菌由甲烷和高级烃类来发电。木比耳石油公司用了奴卡氏菌，康奈尔大学试验了假甲烷单胞菌，阿根廷的研究小组则试验了蜡状细球菌。这些尝试均成功地由这些微生物产生了少量电流。问题在于微生物有着脂肪性膜和细胞壁的一层“表皮”，会抑制微生物对电子源的利用。
1980年，伦敦伊利莎白女王学院（即皇家学院）着手研究微生物与电的联系的复杂课题。我们小组发现，如果微生物燃料电池包括一种称为介体的物质，则可保持数天甚或数星期的电流。介体是生物化学家和细胞生物学家熟知的化学物质，因为它们能加速电子的传输，这对于酶和细胞组织的分解是必不可少的。我们发现，介体能够渗入微生物的表层并从后者内部提取出电子。
当微生物分解（或代谢）食物的大分子时，会产生含电子很多的中间体。中间体释放出的电子，不像一般的呼吸过程那样交给氧，而是给予介体。然后被还原的介体把电子送到负极。电子从负极经由回路回到正极；跟氧和氢离子结合生成水。介体的作用，部分地解决了电荷传输的细胞壁垒问题。
1981年，以科学和工程研究委员会生物技术小组的83，000美元拨款为后盾，我们皇家学院的一个小组开始研究影响微生物发电的关键所在。微生物燃料电池的可行性，部分地取决于其发电容量一有多少燃料能释放电荷转化为氧化产物。以前，这类电池的发电容量小得无法精确测量，但我们证明了由变形杆菌的葡萄糖完全氧化至少可以获取放出的一半电子的电流。效率不是太高，这是因为微生物仅使葡萄糖发生部分降解至乙酸酯的程度。
日本物理化学研究所的团南嘉和子，1980年到伦敦作休假访问期间，曾与我们共同进行过介体的初步试验。回到东京后，她曾证明：同样是微生物燃料电池，含有更贪食的大肠杆菌的，较之含变形杆菌的有更高的发电容量，能量利用率达70 ~ 80%。
最大的电池
加蔗糖的大肠杆菌的电子输出更为显著。酵母实际上能使全部蔗糖发生分解代谢，生成二氧化碳和水，发电容量达到每摩尔蔗糖48法拉第的最高理论值。微生物燃料电池也可以使用主要由蔗糖、葡萄糖和果糖组成的糖蜜以及含5%乳糖的乳清等不纯的糖类。在一系列试验中，以乳糖或乳清为食的大肠杆菌的特殊菌种，连续提供了三个月的电流。这些试验也揭示了陈化微生物的分解不一定会限制微生物燃料电池的效能等生物学方面的问题。
我们最大的微生物燃料电池箱内容有200毫升含微生物的溶液，能提供2安培以上的电流——这只是一般的成绩。然而，我们的工作主要不在于设计更大的微生物燃料电池组，而是着重在更坚实的科学基础上评价“细菌能源”。可以料到，一些分解产物会降低电池的工作质量，这也是许多其他类型的燃料电池存在的共同问题。将来的改进将包括把微生物悬浮在电极孔中以保持稳定等更好的方法。
电极的类型十分重要，因为电极固有的电阻及其极化性能决定着微生物燃料电池输出的电压和电流。发电容量高的电池，其能量利用率可达50%以上。我们需要化学性质稳定的介体，多半把它们固定在电极旁的聚合物承载体上，使介体输出电子的路程缩短。代谢过程中微生物产生的酸，则可被能破坏酸的正极所去掉，一种碳 - 空气型的正极在市场生或许已有供应。
如果我们承认微生物燃料电池是可用的，那么，将在何处又如何能得到广泛的利用呢？工农业各部门均有许多便宜的可氧化物质的来源，开发这种材料来源的最好刺激方法，乃是由工业投入较多的资金。微生物燃料电池的“扩大”技术的费用往往难以估计，研究的投资常因工业管理、政治上的偏见和不正常而得不到保障。约翰逊马赛研究所曾准备冒险尝试研制这种技术。但当其在银行界的股东在美国遭受了巨大的金融损失后，一系列的计划就不得不被束之高阁了。
曾根据微生物的呼吸速率预计：微生物燃料电池的最大功率约为每克微生物1安培电流或1伏电池约为1瓦。这样大小的功率已具有实用价值，如使用更好的电极及通过遗传改良的微生物，功率还可增大。
制造功率为微瓦或毫瓦的电池的“缩小”技术，或许是微生物燃料电池最有利的前景。微生物电池中的糖类有很高的发电容量，约为4安培 · 小时-1 · 千克-1，比铅或锌高得多而接近于锂。这是因为微生物含有很多酶，故能通过一系列反应把燃料完全氧化的缘故。不到0.1克的糖将可供每小时需100毫安电流（360库伦）的手表用一年。用于间歇负载的电子设备的微生物燃料电池，可以通过“进食”来重新充电。通常甚至可以不需要任何额外的燃料，因为微生物在“细菌驼峰”中可贮有备用食物。例如，产碱杆菌即贮藏着大量称为多羟丁酸酯的聚合物的这样一种糖（英国化学工业公司等企业对用这种微生物来制取高聚物十分感兴趣）。
微生物燃料电池的样机可提供足以带动一只计数钟的功率。这种电池可由无害的、多半为生物降解的物质组成，且不含金属组成部分——这对于某些方面的应用尤为有利。例如，在日本，环境中由废弃照相机电池造成的汞害已引起人们的忧虑。将来的微生物燃料电池可包括导电聚合物的薄膜以提高功率 - 重量比。我们也正在研究1瓩功率的大型微生物燃料电池。我们有信心造出尺寸如冰箱大小、适于使用便宜而丰富的有机燃料的大型微生物燃料电池。
在欧洲经济共同体和其他地区的发达农村，已产生了过剩的糖类物质。当各国政府严格环境控制的情况下，清除这些糖类，处理由它们造成的废料，成为日益严重的问题。奶品工业一直在寻求牛奶加工中产生的乳清废料中5%的乳糖的处理方法。有些地区，奶品工业部门往往把废乳清倒入大海或喷洒在森林地区。
充分地利用这些过剩产品和工业废料的方法，乃是在以微生物燃料电池为基础的大型生物反应器中“燃烧”这些可氧化的糖类。这类电池的优点在于能以较低的糖浓度在低温低压下有效地工作。这样一种生物反应器不但能清除掉废料，而且可产生电能；否则这些工业废料不但无用，而且处理费用昂贵。
我们正在实验室里试验在计算机控制下的小型生物电化学反应器。我们估算：一个能储藏一百万升液体和10吨微生物房间大小的反应器，每小时由200公斤的糖类可产生1千氏功率。例如，在酿酒厂中，尽管有这种规模的废水处理的设施和作业，但均需消耗能量。另外一方面，像菲律宾这样的国家，石油很少或没有石油，但却适宜栽培糖料作物，生物电化学反应器就为这样一些国家提供了一种弥补能源短缺的方法。
能有效利用太阳能的作物不光是甘蔗一种。绿色微生物，尤其是深蓝菌（蓝绿藻）也能有效地利用太阳能。皇家学院的微生物学家J. 皮尔特研制了大规模培养深蓝菌和藻类的技术。进一步革新的反应器将以“生物太阳电池”为基础，后者是把微生物的光合作用机构同微生物燃料电池的负极配合起来从而利用太阳能的。初期工作表明，从绿色微生物（甚至包括角果藻在内）取得电能是可行的。皇家学院正与日本物理化学研究所太阳能小组合作进行这方面的工作。
大型微生物燃料电池和生物电化学反应器的发展，提出了一大堆技术问题。生物电化学需要灵活的研究方法，包括从化学、物理学、材料科学和电子学等学科中吸取新的方法。幸而近来电池制造厂和三废处理部门日益富于创新精神，且已开始进入现代生物技术的领域。
[New Scientist，1987年4月]