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利用细菌生产清洁能源

作者:南方周末特约撰稿 祝叶华

2018-08-02 19:38:28 来源:科学

2014年,英国首辆生态公交车Bio-Bus上路,这种生态公交车以人类粪便或废弃食品等产生的甲烷气体为燃料,将大大改善英国的空气质量。(东方IC/图)

(本文首发于2018年8月2日《南方周末》)

在科学研究领域,多数时候细菌是人类的友军。它们常常会给科学家带来意想不到的惊喜。与细菌合作,可能是人类未来清洁能源的出路之一。

微生物如何利用阳光、水和碳、氮等元素的细微差别似乎与现代生活脱节,但这些知识对于满足人类不断增长的能源需求却是至关重要的。

自生物能源出现以来,微生物中的细菌就与之产生了千丝万缕的联系,无论是生物乙醇、生物柴油还是生物制氢,细菌都有份参与。所以,越来越多的人认为,未来的清洁能源和“碳中性”能源或许会依赖于将太阳的光能有效地转化为燃料和电力的技术,与细菌合作,可能是未来清洁能源的出路之一。

吃掉阳光,产生燃料

细菌是敌也是友。在科学研究领域,多数时候细菌是人类的友军。它们常常会给科学家带来意想不到的惊喜。例如,细菌教会了我们如何利用二氧化碳制造绿色能源。

在植物光合作用的灵感下,科学家改造了细菌,让细菌体内负责催化作用的酶装备升级。在人工酶的帮助下,特定的细菌可以吸收阳光的能量,将二氧化碳转化为碳氢化合物,进而用于制作燃料。加州大学欧文分校的分子生物学家Hu Yilin研究团队发现了天然存在的固氮酶(如存在于Azotobacter vinelandii和Methanosarcina acetivorans细菌里的固氮酶)的合成版本。战斗力升级的固氮菌,可以将二氧化碳转化成碳氢化合物,包括甲烷、丙烷、丁烷和乙烯。

2016年,一个国际研究小组在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发文称,已经设计出一种可以从空气中吸收二氧化碳并将其转化为燃料的细菌——R. palustris。这是逆向燃烧的过程,R. palustris细菌利用阳光产生甲烷和氢气。在反应中,固氮酶起到了关键作用。这种酶在自然界中可以作为催化剂,使用三磷酸腺苷(ATP),帮助某些细菌将大气中的氮气转化为活性氨,即氮还原或固氮。受固氮作用的启发,研究人员想知道是否能调整这种固氮酶,让它可以与其他稳定分子一起工作。研究小组改良R. palustris细菌后,细菌体内经过修饰的固氮酶不再具有固氮的作用,却可以吃掉“阳光”,用二氧化碳作为它的起始物质,产生甲烷和氢气。另一方面,在R.palustris中,新的工程固氮酶仅用一步,就可以将二氧化碳转化为甲烷,简化了反应过程。二氧化碳到甲烷的转变发生在生物体中,也就是发生在环境温度下,所以降低了生产生物燃料所需的能量。

当生物体捕捉光并在光合作用过程中制造食物时,科学家发现充斥着我们的海洋、覆盖了全世界的潮湿表面的蓝藻细菌也可以利用捕获的光产生的能量来产生氢气。一篇发表在《科学报告》(Scientific Report)上的文章称,一种名为“蓝绿藻”的蓝藻细菌可以借助阳光生产氢气,与R. palustris反应机理相同,蓝藻细菌也是通过基因工程改造后的固氮酶的催化作用,完成了二氧化碳到氢气的转化。

在《科学美国人》(Scientific American)发布的2017年全球十大新兴技术中,包含一项以阳光为食,在细菌的参与下,产生液体燃料的技术——仿生叶片。该技术利用太阳能电池产生的电能来电解水得到氢气,再用氢气来还原空气中的二氧化碳得到方便易用的液体燃料。哈佛大学科学家模仿了树叶的光合作用,在新型钴-磷催化剂的作用下,让“仿生树叶”通过细菌参与的化合作用将二氧化碳转化为有机物异丙醇,实现了能量的生成和储存。

伊利诺伊大学的研究人员也在《科学》(Science)发文称,他们同样设计了一种“人工叶子”,只利用太阳光作为能源,就可以将大气中的二氧化碳直接转化为可用的碳氢化合物燃料。这种模仿植物吸收二氧化碳的技术,可用于为车辆提供动力的合成燃料。稍有不同的是,植物“吃掉”二氧化碳产生糖,而人工叶片“吃掉”二氧化碳后则是生成氢气和一氧化碳的混合物,混合物可以直接燃烧,也可以转化其他碳氢化合物燃料,例如柴油。

转化二氧化碳

在寻找可再生燃料的过程中,细菌拥有超强的生产能力,它们可以激发人造酶,将二氧化碳转化为碳氢化合物,而碳氢化合物可以用来制造燃料或塑料。

2016年,哈佛大学化学家丹尼尔·诺切拉(Daniel Nocera)研究团队(上文提到的仿生叶片之一也是出自该团队之手)在《科学》(Science)发表研究结果称,他们改良得到一种名为Ralstoneutropha的基因工程细菌,它可以模仿植物叶片吸收二氧化碳和氢气,产生三磷酸腺苷(ATP),再进一步ATP转换生成酒精燃料。

对于Ralstoneutropha的基因工程细菌,多数人可能不熟悉。相比之下,与人类相伴终生的大肠杆菌“知名度”更高,这种原本存在于人体肠道的常见细菌,后来被科学家发现居然是优良的二氧化碳转换器。

2018年,为了解锁新的碳捕捉技术,苏格兰邓迪大学教授弗兰克·萨金特(Frank Sargent)等开发了利用大肠杆菌将二氧化碳转化为甲酸的方法,相关研究成果发表在《当代生物学》(Current Biology)上。在这个过程中大肠杆菌利用甲酸氢裂解酶催化转化。研究同时发现,当大肠杆菌处于二氧化碳和氢气混合环境中的压力为10倍大气压力时,精确控制pH值,转换效率会达到最佳状态。与正常大气压相比,如果甲酸产量增加20倍,二氧化碳转化效率可达100%。

2015年,法国原子能及可替代能源署、法国国家科研中心等机构的研究人员,发现了甲酸脱氢酶将二氧化碳转化成甲酸的生物机制,研究成果发表在《自然通讯》(Nature Communications)上。研究选取大肠杆菌为目标菌群,这是因为在生物酶发生催化反应的时候,需要一种名为“辅因子”的非蛋白质化合物作为“激活”开关,激活生物酶。而在大肠杆菌中,一种含有钼元素的辅因子是其“激活”开关,含钼辅因子通过固定硫原子(脱硫)来实现二氧化碳到甲酸的转化。之所以选择大肠杆菌,是因为在大肠杆菌中含有一种特定的“伴侣蛋白”,它可以将无机状态下不稳定的硫原子与含钼辅因子紧紧地捆绑在一起。这样一来,不管是性质不稳定的含钼辅因子还是活性高的硫原子,都收起了“躁动的心”,乖乖地协作激活后续的催化反应。

丙烷是一种清洁能源,目前,丙烷的生产大都来自原油和天然气冶炼的副产品。然而没有生成丙烷的自然代谢途径。生物丙烷是一种很好的替代化石燃料,它可以使用和现在同样的基础设施来生产从石油中提取的丙烷。英国和芬兰的科学研究小组在《自然通讯》上发表研究结果称,他们发现了一种特殊的生物途径,能让大肠杆菌将脂肪酸转化成丙烷。研究人员通过一些酶(硫酯酶、CAR酶和脱甲基醛加氧酶)阻断大肠杆菌中脂肪酸进入细胞膜的生物过程,并引导脂肪酸进入不同的生物途径,最终开发出利用大肠杆菌制造丙烷的新技术。

除此之外,在航空航天领域,细菌也有用武之地。佐治亚理工学院与联合生物能源研究院科学家通过转基因工程改造细菌,让它们能够合成蒎烯,有望替代在导弹发射及其他航空领域使用的航空燃料JP-10。蒎烯是一种从树木中提炼的化合物,经二聚化后生成蒎烯二聚体,蒎烯二聚体的能量密度和航空燃料JP-10类似。由于从石油中能够提炼的JP-10供给有限,因此科学家努力寻找替代酶,将其插入大肠杆菌以产生蒎烯,以期将来能补充燃料的不足。

污水发电

人类借助细菌生产电的研究也已有多年的积累。“微生物燃料电池”就是用细菌产生的电化学梯度产生电能的技术。在一些研究中,科学家已经能成功地借助自然产生的细菌的能量,从工业废水中产生大量的电能。

2016年,弗吉尼亚理工学院的研究人员发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的一篇文章阐明了具有电化学活性的细菌产生能量的原理,并介绍了从废弃物中获取能源的可持续性运动。研究结果显示,两种特定基质(乳酸盐基质和甲酸盐基质)参与了细菌发电的过程。其中,乳酸盐基质用于支持细胞生长,甲酸盐基质在氧化后会释放电子,用于发电。他们还发现,当两种基质共同工作的时候产生的能量要多于单独工作,所以也可以说是众“菌”拾柴火焰多。不过污水里的有机物并不都是直接参与发电的过程,其中的一部分有机物被发电细菌当做食物,另外还有一些有机物则是作为导电介质而存在。

浙江大学能源工程学院教授成少安课题组早在2014年就“驯化”成千上万个的细菌,让它们利用污水进行发电。经过驯化的细菌,能够持续地消耗废水中的有机物,既清洁了废水,又能发电,而且对环境来说是“零负担”。不过,由于电流来自细菌体内新陈代谢产生的电子,所以细菌电池电量十分微弱。

人类并不是唯一利用电力的物种,现在看来,细菌也会“用电”,它们会产生像电线一样从表面延伸出来的结构,从而将电子传输到很远的地方。最近,美国国家航空航天局位于加州硅谷的艾姆斯研究中心的科学家们正在探索污水发电的现象,也许他们能够利用这些特殊的细菌,在未来的太空任务中发挥重要作用——从发电到处理废水或生产药品。

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网络编辑: 柯珂 责任编辑: 朱力远

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