“細(xì)菌也能直接放電”聽起來似乎匪夷所思，但這一相關(guān)領(lǐng)域的研究已有百年歷史。產(chǎn)電菌是電活性微生物的一種，它們在微生物電子傳遞過程中發(fā)揮著巨大作用，不斷刷新人們對微生物能量代謝過程的認(rèn)知。如今，很多污染物預(yù)警和快速降解、能源回收、貴金屬提取等領(lǐng)域的“黑科技”，靈感和基礎(chǔ)都來自于它們。
日前，天津大學(xué)化工學(xué)院教授宋浩團隊在《定量生物學(xué)》刊文，回顧了以細(xì)胞色素和導(dǎo)電納米線為核心的導(dǎo)電蛋白質(zhì)，在微生物電子傳遞過程中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。文章展望了細(xì)胞色素和導(dǎo)電納米線未來潛在研究方向，為推動電活性微生物實際應(yīng)用提供了參考。
可與外界環(huán)境雙向交換電子的特殊微生物
“能夠與外界環(huán)境進(jìn)行雙向電子交換的微生物，被稱為電活性微生物。其中包括向外界環(huán)境釋放電子的產(chǎn)電活性微生物，以及從外界環(huán)境獲取電子的噬電活性微生物。”宋浩介紹。
早在1910年，英國科學(xué)家馬克·比特就發(fā)現(xiàn)，微生物的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流。此后，研究人員相繼挖掘、篩選、鑒定了多種產(chǎn)電活性微生物。其中，對于兼性厭氧菌奧奈達(dá)希瓦氏菌和嚴(yán)格厭氧菌硫還原地桿菌的研究最為廣泛。在21世紀(jì)初，研究人員對這兩種模式產(chǎn)電菌先后完成了基因測序，使得人們對產(chǎn)電活性微生物的遺傳背景有了進(jìn)一步認(rèn)識。
這類產(chǎn)電活性微生物是如何施展產(chǎn)電“超能力”的呢？“發(fā)電的本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換。”宋浩介紹，在生物體內(nèi)，底物有機質(zhì)在細(xì)胞呼吸作用中被氧化，釋放的電子通過細(xì)胞呼吸鏈傳遞、轉(zhuǎn)移。一個葡萄糖分子在生物體內(nèi)完全氧化后，可以產(chǎn)生多達(dá)24個電子。
宋浩進(jìn)一步解釋，產(chǎn)電活性微生物的能量釋放不僅局限于細(xì)胞內(nèi)，它們還可以進(jìn)行胞外電子轉(zhuǎn)移。產(chǎn)電活性微生物通過細(xì)胞膜上內(nèi)嵌的導(dǎo)電蛋白和電子傳遞載體，以及從細(xì)胞膜生長出來的導(dǎo)電納米線，把氧化環(huán)境中有機物產(chǎn)生的電子傳遞給環(huán)境中的電子受體。
近10年來，研究人員又逐漸發(fā)現(xiàn)一些電活性微生物能夠從氫氣、電極等電子供體噬取電子，用于維持細(xì)胞生長。這類電活性微生物被命名為噬電活性微生物，主要包括熱莫爾氏菌、羅爾斯通菌、乙醇梭菌、沼澤紅假單胞菌以及鼠胞菌等。
在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力
宋浩介紹，電活性微生物在能源、化工和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
產(chǎn)電活性微生物可將有機物降解并釋放電子，實現(xiàn)化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化。因此，產(chǎn)電活性微生物可利用環(huán)境、污水中的有機質(zhì)發(fā)電，也可利用釋放的電子還原金屬陽離子來制備金屬納米材料，為解決能源不足、推動綠色先進(jìn)制造提供方案。
宋浩舉例說，太陽能電池、熱電裝置和機械發(fā)電機大多對使用環(huán)境有要求。但新開發(fā)的基于導(dǎo)電蛋白利用大氣水分實現(xiàn)能量收集的蛋白質(zhì)納米線薄膜發(fā)電機，可以產(chǎn)生至少20小時的連續(xù)電流。而且相比于其他可持續(xù)電力生成系統(tǒng)，這種裝置受位置或環(huán)境條件的限制更少。
基于產(chǎn)電活性微生物的產(chǎn)電原理，“電池家族”也有望增加新成員。用于生物降解有機廢物同時收集電能的微生物燃料電池、可以產(chǎn)氫氣的微生物電解電池、用于海水淡化的微生物脫鹽電池等，都是科研人員正在努力的研發(fā)方向。
另一方面，噬電活性微生物可以利用噬取的電子，驅(qū)動細(xì)胞物質(zhì)合成，實現(xiàn)從電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。它們可以將二氧化碳等低能量密度、高氧化態(tài)的底物，還原為高級醇、脂肪酸等高能量密度、高還原態(tài)的高值化學(xué)品，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)建立技術(shù)途徑。
走向產(chǎn)業(yè)化仍面臨多重挑戰(zhàn)
近年來，以電活性微生物為催化核心的生物電化學(xué)系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)正逐漸步入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，某些領(lǐng)域已初具產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
在產(chǎn)電活性微生物的利用方面，國際上已有多家科技企業(yè)，利用產(chǎn)電活性微生物開發(fā)微生物燃料電池系統(tǒng)，用于污水處理與電能回收。
而對于噬電活性微生物的利用，光電驅(qū)動噬電活性微生物固氮固碳合成高值化學(xué)品技術(shù)成了當(dāng)今投資界的新寵。例如美國公司開發(fā)了仿生葉片裝置，利用太陽能電池板提供電力，把水分解為氫氣和氧氣。噬電活性微生物自養(yǎng)黃桿菌以氫氣為電子供體固碳固氮合成液態(tài)肥料。
“盡管電活性微生物展示出巨大的應(yīng)用潛力，但其應(yīng)用仍面臨著科學(xué)、工程、經(jīng)濟和社會等多個層面的挑戰(zhàn)。”宋浩說。
天津大學(xué)化工學(xué)院副研究員李鋒認(rèn)為，天然存在的野生型產(chǎn)電活性微生物的胞外電子傳遞速率低，嚴(yán)重限制了電活性微生物的能量轉(zhuǎn)化效率。這是阻礙其廣泛工業(yè)化應(yīng)用的核心瓶頸。
在噬電活性微生物的應(yīng)用上，天津大學(xué)化工學(xué)院副教授曹英秀介紹，噬電細(xì)胞主要通過從胞外電極上獲取電子并轉(zhuǎn)化為自身還原力來驅(qū)動化學(xué)品合成，該過程包括胞外電子跨膜傳遞—胞內(nèi)還原力轉(zhuǎn)化—產(chǎn)物定向合成。其中，電子跨膜傳遞速率慢、跨膜電子到胞內(nèi)還原力轉(zhuǎn)化效率低是制約噬電活性微生物應(yīng)用的重要因素。
此外，宋浩認(rèn)為，目前部分高效電活性微生物的生物安全性尚未得到充分論證，電活性微生物的工業(yè)應(yīng)用可能涉及到法規(guī)和倫理問題。尤其是在食品、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域，需要確保新技術(shù)的安全性、可持續(xù)性，并符合相關(guān)法規(guī)和倫理標(biāo)準(zhǔn)。
“生物電化學(xué)系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)仍處于初始發(fā)展階段，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，生產(chǎn)研發(fā)成本居高不下，產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益不夠突出。要克服這些瓶頸，未來還需要多學(xué)科的共同努力。”宋浩說。
“細(xì)菌也能直接放電”聽起來似乎匪夷所思，但這一相關(guān)領(lǐng)域的研究已有百年歷史。產(chǎn)電菌是電活性微生物的一種，它們在微生物電子傳遞過程中發(fā)揮著巨大作用，不斷刷新人們對微生物能量代謝過程的認(rèn)知。如今，很多污染物預(yù)警和快速降解、能源回收、貴金屬提取等領(lǐng)域的“黑科技”，靈感和基礎(chǔ)都來自于它們。
日前，天津大學(xué)化工學(xué)院教授宋浩團隊在《定量生物學(xué)》刊文，回顧了以細(xì)胞色素和導(dǎo)電納米線為核心的導(dǎo)電蛋白質(zhì)，在微生物電子傳遞過程中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。文章展望了細(xì)胞色素和導(dǎo)電納米線未來潛在研究方向，為推動電活性微生物實際應(yīng)用提供了參考。
可與外界環(huán)境雙向交換電子的特殊微生物
“能夠與外界環(huán)境進(jìn)行雙向電子交換的微生物，被稱為電活性微生物。其中包括向外界環(huán)境釋放電子的產(chǎn)電活性微生物，以及從外界環(huán)境獲取電子的噬電活性微生物。”宋浩介紹。
早在1910年，英國科學(xué)家馬克·比特就發(fā)現(xiàn)，微生物的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流。此后，研究人員相繼挖掘、篩選、鑒定了多種產(chǎn)電活性微生物。其中，對于兼性厭氧菌奧奈達(dá)希瓦氏菌和嚴(yán)格厭氧菌硫還原地桿菌的研究最為廣泛。在21世紀(jì)初，研究人員對這兩種模式產(chǎn)電菌先后完成了基因測序，使得人們對產(chǎn)電活性微生物的遺傳背景有了進(jìn)一步認(rèn)識。
這類產(chǎn)電活性微生物是如何施展產(chǎn)電“超能力”的呢？“發(fā)電的本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換。”宋浩介紹，在生物體內(nèi)，底物有機質(zhì)在細(xì)胞呼吸作用中被氧化，釋放的電子通過細(xì)胞呼吸鏈傳遞、轉(zhuǎn)移。一個葡萄糖分子在生物體內(nèi)完全氧化后，可以產(chǎn)生多達(dá)24個電子。
宋浩進(jìn)一步解釋，產(chǎn)電活性微生物的能量釋放不僅局限于細(xì)胞內(nèi)，它們還可以進(jìn)行胞外電子轉(zhuǎn)移。產(chǎn)電活性微生物通過細(xì)胞膜上內(nèi)嵌的導(dǎo)電蛋白和電子傳遞載體，以及從細(xì)胞膜生長出來的導(dǎo)電納米線，把氧化環(huán)境中有機物產(chǎn)生的電子傳遞給環(huán)境中的電子受體。
近10年來，研究人員又逐漸發(fā)現(xiàn)一些電活性微生物能夠從氫氣、電極等電子供體噬取電子，用于維持細(xì)胞生長。這類電活性微生物被命名為噬電活性微生物，主要包括熱莫爾氏菌、羅爾斯通菌、乙醇梭菌、沼澤紅假單胞菌以及鼠胞菌等。
在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力
宋浩介紹，電活性微生物在能源、化工和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
產(chǎn)電活性微生物可將有機物降解并釋放電子，實現(xiàn)化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化。因此，產(chǎn)電活性微生物可利用環(huán)境、污水中的有機質(zhì)發(fā)電，也可利用釋放的電子還原金屬陽離子來制備金屬納米材料，為解決能源不足、推動綠色先進(jìn)制造提供方案。
宋浩舉例說，太陽能電池、熱電裝置和機械發(fā)電機大多對使用環(huán)境有要求。但新開發(fā)的基于導(dǎo)電蛋白利用大氣水分實現(xiàn)能量收集的蛋白質(zhì)納米線薄膜發(fā)電機，可以產(chǎn)生至少20小時的連續(xù)電流。而且相比于其他可持續(xù)電力生成系統(tǒng)，這種裝置受位置或環(huán)境條件的限制更少。
基于產(chǎn)電活性微生物的產(chǎn)電原理，“電池家族”也有望增加新成員。用于生物降解有機廢物同時收集電能的微生物燃料電池、可以產(chǎn)氫氣的微生物電解電池、用于海水淡化的微生物脫鹽電池等，都是科研人員正在努力的研發(fā)方向。
另一方面，噬電活性微生物可以利用噬取的電子，驅(qū)動細(xì)胞物質(zhì)合成，實現(xiàn)從電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。它們可以將二氧化碳等低能量密度、高氧化態(tài)的底物，還原為高級醇、脂肪酸等高能量密度、高還原態(tài)的高值化學(xué)品，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)建立技術(shù)途徑。
走向產(chǎn)業(yè)化仍面臨多重挑戰(zhàn)
近年來，以電活性微生物為催化核心的生物電化學(xué)系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)正逐漸步入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，某些領(lǐng)域已初具產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
在產(chǎn)電活性微生物的利用方面，國際上已有多家科技企業(yè)，利用產(chǎn)電活性微生物開發(fā)微生物燃料電池系統(tǒng)，用于污水處理與電能回收。
而對于噬電活性微生物的利用，光電驅(qū)動噬電活性微生物固氮固碳合成高值化學(xué)品技術(shù)成了當(dāng)今投資界的新寵。例如美國公司開發(fā)了仿生葉片裝置，利用太陽能電池板提供電力，把水分解為氫氣和氧氣。噬電活性微生物自養(yǎng)黃桿菌以氫氣為電子供體固碳固氮合成液態(tài)肥料。
“盡管電活性微生物展示出巨大的應(yīng)用潛力，但其應(yīng)用仍面臨著科學(xué)、工程、經(jīng)濟和社會等多個層面的挑戰(zhàn)。”宋浩說。
天津大學(xué)化工學(xué)院副研究員李鋒認(rèn)為，天然存在的野生型產(chǎn)電活性微生物的胞外電子傳遞速率低，嚴(yán)重限制了電活性微生物的能量轉(zhuǎn)化效率。這是阻礙其廣泛工業(yè)化應(yīng)用的核心瓶頸。
在噬電活性微生物的應(yīng)用上，天津大學(xué)化工學(xué)院副教授曹英秀介紹，噬電細(xì)胞主要通過從胞外電極上獲取電子并轉(zhuǎn)化為自身還原力來驅(qū)動化學(xué)品合成，該過程包括胞外電子跨膜傳遞—胞內(nèi)還原力轉(zhuǎn)化—產(chǎn)物定向合成。其中，電子跨膜傳遞速率慢、跨膜電子到胞內(nèi)還原力轉(zhuǎn)化效率低是制約噬電活性微生物應(yīng)用的重要因素。
此外，宋浩認(rèn)為，目前部分高效電活性微生物的生物安全性尚未得到充分論證，電活性微生物的工業(yè)應(yīng)用可能涉及到法規(guī)和倫理問題。尤其是在食品、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域，需要確保新技術(shù)的安全性、可持續(xù)性，并符合相關(guān)法規(guī)和倫理標(biāo)準(zhǔn)。
“生物電化學(xué)系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)仍處于初始發(fā)展階段，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，生產(chǎn)研發(fā)成本居高不下，產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益不夠突出。要克服這些瓶頸，未來還需要多學(xué)科的共同努力。”宋浩說。
本文鏈接：如何讓產(chǎn)電微生物釋放更大效能http://m.lensthegame.com/show-2-2954-0.html
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