發(fā)展和利用可再生能源，是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。作為地球上最豐富的可再生能源，太陽能利用的基礎和應用研究具有重大的科學和現(xiàn)實意義。而光伏發(fā)電是太陽能利用的主要形式，其技術核心是利用半導體材料將太陽能轉化為電能。隨著能量轉化效率的不斷提升和制造成本的不斷降低，全球太陽能光伏裝機容量累計已超過500GW。

但是，部分光伏材料含有毒元素，廢棄太陽能電池板總量大且難以回收，且光伏器件制造過程涉及有毒有害化學品的使用。隨著太陽能光伏的不斷推廣使用，其對環(huán)境的潛在負面沖擊不可忽視， 而生物光伏（biophotovoltaics, BPV）為太陽能利用提供了一條生物學路徑。生物光伏利用光合微生物（如藍藻）作為光電轉換材料，具有碳中性﹑良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點，有望成為環(huán)境更加友好的新一代太陽能發(fā)電技術。 

然而，當前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。在直接改造藍藻以強化其產(chǎn)電活性方面，目前尚未有成功的報道。 

為了提高BPV光電轉化效率，中國科學院微生物研究所李寅研究組另辟蹊徑，設計并創(chuàng)建了一個具有定向電子流的合成微生物組，來解決藍藻直接產(chǎn)電活性微弱的問題。 據(jù)悉，該合成微生物組由一個能夠將光能儲存在d-乳酸的工程藍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。藍藻吸收光能并固定CO2來合成能量載體d-乳酸，希瓦氏菌氧化d-乳酸進行產(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，完成了從光能到化學能再到電能的能量轉化過程。 

（具有定向電子流的雙菌生物光伏卡通示意圖）

通過在遺傳﹑環(huán)境和裝置層面的設計﹑改造和優(yōu)化，研究人員有效地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)實現(xiàn)了高效﹑穩(wěn)定的功率輸出，其最大功率密度達到150 mW/m2，比目前的單菌生物光伏系統(tǒng)普遍提高10倍以上。采用連續(xù)流加培養(yǎng)方式，該雙菌生物光伏系統(tǒng)可穩(wěn)定實現(xiàn)長達40天以上的功率輸出，且平均功率密度達到135 mW/m2的較高水平，在產(chǎn)電時長﹑單裝置輸出功率兩方面均達到了目前BPV系統(tǒng)的最高水平。 

據(jù)了解，這是國際上利用具有定向電子流的合成微生物組創(chuàng)建生物光伏的首例報道，同時也是我國第一臺生物光伏原型裝置。該研究證明了利用具有定向電子流的合成微生物組可以顯著提高BPV光電轉化效率，打破了人們對生物光伏效率和壽命難以提高的固有認識，為進一步提升BPV光電轉化效率奠定了重要基礎。