神奇的紫色細(xì)菌“電池”可以將污水轉(zhuǎn)化為清潔能源
你今天可能把有價(jià)值的東西沖進(jìn)馬桶了：
生活污水和工業(yè)廢水中的有機(jī)化合物是豐富的能源、生物塑料甚至動(dòng)物飼料蛋白質(zhì)的潛在來(lái)源，但由于沒有有效的提取方法，處理廠將它們作為污染物丟棄。
現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)找到了一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的解決方案。發(fā)表在《能源前沿研究》(Frontiers in Energy Research)，他們的研究是第一個(gè)顯示紫色光合細(xì)菌——可以從光儲(chǔ)存能量——當(dāng)被提供電流時(shí)可以恢復(fù)到接近來(lái)自任何類型的有機(jī)廢物的100％的碳，同時(shí)可以產(chǎn)生氫氣用于發(fā)電。
西班牙胡安卡洛斯國(guó)王大學(xué)(King Juan Carlos University)的丹尼爾·普約爾(Daniel Puyol)博士說(shuō)，目前污水處理廠最重要的問(wèn)題之一是高碳排放。我們基于光的生物精煉廠工藝可以提供一種從廢水中獲取綠色能源的方法，而且碳足跡為零。
目前污水處理廠最重要的問(wèn)題之一是高碳排放，基于光的生物精煉廠工藝可以提供一種從廢水中獲取綠色能源的方法，而且碳足跡為零。
紫色光合細(xì)菌
說(shuō)到光合作用，“綠色廢棄物”成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
但當(dāng)葉綠素從秋天的樹葉中撤退時(shí)，它留下了黃色、橙色和紅色的表親。事實(shí)上，光合色素有各種顏色——存在于各種生物中。
它們利用各種各樣的色素從陽(yáng)光中獲取能量，這些色素使它們變成橙色、紅色或棕色——以及紫色。但是，讓科學(xué)家們?nèi)绱烁信d趣的是它們新陳代謝的多樣性，而不是它們的顏色。
紫色光合細(xì)菌是從有機(jī)廢物中回收資源的理想工具，因?yàn)樗鼈兊拇x高度多樣化，普約爾解釋說(shuō)。細(xì)菌可以利用有機(jī)分子和氮?dú)狻皇嵌趸己退獊?lái)提供碳、電子和氮進(jìn)行光合作用。
這意味著它們的生長(zhǎng)速度快于其他光合細(xì)菌和藻類，并且可以產(chǎn)生氫氣、蛋白質(zhì)或一種可降解的聚酯，作為新陳代謝的副產(chǎn)品。
當(dāng)葉綠素從秋天的樹葉中撤退時(shí)，它留下了黃色、橙色和紅色的表親。
用電流調(diào)節(jié)代謝輸出
哪些代謝產(chǎn)物占主導(dǎo)地位取決于細(xì)菌的環(huán)境條件——比如光照強(qiáng)度、溫度，以及可用的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的類型。
來(lái)自西班牙Alcala大學(xué)的亞伯拉罕·埃斯特維-努涅斯(Abraham Esteve-Nunez)教授說(shuō)，我們的研究小組根據(jù)有機(jī)廢物來(lái)源和市場(chǎng)需求，操縱這些條件來(lái)調(diào)整紫色細(xì)菌的代謝以適應(yīng)不同的應(yīng)用。但是我們的方法的獨(dú)特之處在于使用外部電流來(lái)優(yōu)化紫色細(xì)菌的產(chǎn)量。
這個(gè)被稱為生物電化學(xué)系統(tǒng)的概念之所以有效，是因?yàn)樽仙?xì)菌不同的代謝途徑是由一個(gè)共同的介質(zhì)連接起來(lái)的：電子。
例如，獲取光能需要電子供應(yīng)，而將氮轉(zhuǎn)化為氨會(huì)釋放多余的電子，而這些電子必須被耗散。通過(guò)優(yōu)化細(xì)菌內(nèi)部的電子流動(dòng)，電流——通過(guò)正極和負(fù)極提供，就像電池一樣——可以劃分這些過(guò)程并最大限度地提高合成速率。
在生物電化學(xué)(紅線)和控制電化學(xué)操作(藍(lán)線)期間的不同時(shí)間間隔的循環(huán)伏安圖。
最大的生物能量，最小的碳足跡
在他們最新的研究中，研究小組分析了紫色光合細(xì)菌混合生產(chǎn)氫的最佳條件。他們還測(cè)試了負(fù)電流(即生長(zhǎng)介質(zhì)中金屬電極提供的電子)對(duì)細(xì)菌代謝行為的影響。
他們的第一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，喂養(yǎng)最高產(chǎn)氫率的營(yíng)養(yǎng)混合物也會(huì)將二氧化碳的產(chǎn)量降至最低。
Esteve-Nunez報(bào)道說(shuō)，這表明紫色細(xì)菌可以用廢水中常見的有機(jī)物——蘋果酸和谷氨酸鈉——回收有價(jià)值的生物燃料，而且碳足跡很低。
更引人注目的是使用電極的結(jié)果，首次證明紫色細(xì)菌能夠利用負(fù)極或負(fù)極的電子通過(guò)光合作用捕獲二氧化碳。來(lái)自我們的生物電化學(xué)系統(tǒng)的記錄顯示紫色細(xì)菌和電極之間有明顯的相互作用：電極的負(fù)極化導(dǎo)致可檢測(cè)到的電子消耗，與減少二氧化碳的產(chǎn)生有關(guān)。這表明紫色細(xì)菌利用陰極上的電子通過(guò)光合作用從有機(jī)化合物中捕獲更多的碳，所以釋放出的二氧化碳更少。
用于制氫的生物電化學(xué)系統(tǒng)
根據(jù)作者的說(shuō)法，這是首次報(bào)道在生物電化學(xué)系統(tǒng)中使用混合培養(yǎng)的紫色細(xì)菌，也首次證明了由于與陰極相互作用而引起的光營(yíng)養(yǎng)體代謝變化。
捕獲紫色細(xì)菌產(chǎn)生的多余的二氧化碳不僅有助于減少碳排放，而且有助于從有機(jī)廢物中提煉沼氣作為燃料。
然而，普約爾承認(rèn)，這兩家公司的真正目標(biāo)還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)研究最初的目標(biāo)之一是通過(guò)從陰極向紫色細(xì)菌代謝提供電子來(lái)增加生物氫的產(chǎn)生。然而，PPB細(xì)菌似乎更喜歡用這些電子來(lái)固定二氧化碳，而不是制造H2?！拔覀冏罱@得了資金，可以進(jìn)一步研究以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并將在今后幾年內(nèi)為此工作?！?/p>
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