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細菌能發電?順便還能治理污水!


錄入時間:2023-12-15 15:56:59

  提到發電方式,多數人可能會想到火力、水力、風力、太陽能、核能等途徑。然而,微生物發電這一較為冷門的領域卻擁有近百年的研究歷史。你可能會好奇,哪些微生物具有發電的能力?這些微生物又是如何實現電能生成的?


微生物的發電機制

  在探討這個話題之前,我們首先要了解發電的本質——能量轉換。

  舉個例子,火力發電是通過燃燒煤炭,將其化學能量轉化為電能。在生物體內,三磷酸腺苷(ATP)則被認為是一種“通用能量貨幣”。一個葡萄糖分子在生物體內完全氧化后可以產生多達32個ATP分子。ATP被分解,不僅會釋放能量供生物體使用,還會伴隨電子轉移。

  這里就引出了微生物發電的核心機制:胞外電子轉移(Extracellular Electron Transfer,簡稱EET)。在某些特定微生物(如希瓦氏菌(Shewanella)和地桿菌(Geobacter)等)中,ATP的能量釋放不僅局限于細胞內。

  通過細胞膜上特定的導電蛋白,這些微生物能夠將電子傳遞到細胞外,從而形成電流。這一過程不僅實現了能量的高效利用,還為微生物發電提供了一種自然而獨特的途徑。


微生物發電早已不是最新發現

  早在1911年,英國生物學家Michael Potter便已經發現,在含有釀酒酵母或特定細菌的培養液中使用鉑作為電極,有機物的分解過程可以生成電流;谶@一原理,科學家們一直在探究如何將微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells,MFC)應用于人類社會。

  MFC的工作原理是相當直接的:在陽極,燃料(如營養物質)通過微生物代謝被氧化,釋放出的電子和質子則分別通過不同途徑到達陰極。電子通過電子傳遞介質在陰極和陽極之間進行傳遞,并通過外部電路形成電流。與此同時,質子則通過質子交換膜(Proton Exchange Membrane)到達陰極,在那里與氧氣結合生成水。

  雖然MFC在能量轉換效率上仍有待提高,但經過一個多世紀的研究和發展,這種技術已逐漸走入公眾視野。有科學家甚至預測,未來MFC技術有潛力被用于制造如手機電池這樣的日常用品。

  然而,需要注意的是,由于目前使用的質子交換膜和貴金屬電極等原料成本相對較高,MFC大多還處于實驗室研究階段,距離大規模商業應用尚需時日。


天然發電細菌

  在生物發電領域,希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)MR-1堪稱一名“明星”細菌。該細菌最初在Oneida湖中被分離出來,并因其獨特的錳還原(Manganese Reducing,簡稱MR)能力而得名。

  在進行錳還原的過程中,希瓦氏菌通過細胞膜上的特殊導電蛋白生成電流,從而獲取所需的能量。值得注意的是,該細菌能夠在高濃度重金屬的厭氧環境中生存,研究還表明它具有將汞離子還原為汞單質,以及將銀離子還原為銀單質的能力。

  那么,希瓦氏菌MR-1為何具有天然的導電特性呢?

  科學家將具有自發進化胞外電子轉移(Extracellular Electron Transfer,簡稱EET)途徑的微生物稱作外產電菌。其中,最受研究者們關注的EET途徑便是希瓦氏菌MR-1的金屬還原(Metal-reducing,簡稱Mtr)途徑。

  在這一途徑中,電子通過細胞膜和周質空間內的特殊細胞色素進行傳遞,這些細胞色素上堆疊著密集的血紅素分子。

  然而,盡管這些外產電菌在將底物轉化為電能的過程中展現出較高的效率,它們對底物(即食物)特別挑剔,適應性相對較差。

  此外,由于缺乏有效的遺傳操作工具,進行基因改造以提高其應用范圍和效率變得相對困難。這些因素在一定程度上限制了包括希瓦氏菌MR-1在內的外產電菌的廣泛應用。


基因改造大腸桿菌發電

  面對天然產電菌在食物選擇上的挑剔性質以及基因改造的困難,科學家們開始探究:能否使用更易于改造的細菌來實現發電呢?答案引人注目地是肯定的。

  大腸桿菌,作為生物研究中最常見的模型細菌,具備豐富的遺傳操作工具,且對食物源并無特別選擇性,因此成為了這一改造項目的理想候選者。

  瑞士的Ardemis A. Boghossian教授利用希瓦氏菌MR-1的Mtr電子傳遞途徑為模板,在大腸桿菌中構建了類似的機制。

  具體而言,該團隊對大腸桿菌進行改造,這些改造讓大腸桿菌不僅能產生電流,而且該電流能夠持續超過三天,有效證明了基因改造大腸桿菌具備發電能力。

  值得一提的是,盡管其發電效率僅為希瓦氏菌MR-1的1/50,但大腸桿菌在食物選擇上的不挑剔卻賦予了它特定的優勢。例如,這種改造過的大腸桿菌能在啤酒廠的廢水中生長,而天然的希瓦氏菌MR-1則做不到這一點。這一發現意味著改造后的大腸桿菌不僅具備發電能力,還可用于廢水處理,實現“一石二鳥”的效果。


細菌發電的用途有哪些?

  細菌發電作為一個具有多方面應用潛力的技術,主要可用于微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells, MFC)的構建。MFC有幾個顯著的應用領域,包括但不限于發電產能、污水處理、生物感應和生物回收。

  發電產能:微生物燃料電池特別適用于電量需求較小和電池更換困難的場景,如無線傳感器網絡。更值得注意的是,MFC有可能非常微型化,在某些應用中,其電極厚度僅為7μm,長度為2cm,從而能替代傳統電池。這為提供一種持久且可再生的電源打開了新的可能。

  污水處理:現有的污水處理技術大多電能消耗巨大。細菌發電的商業化應用有望改變這一狀況。例如,生活污水也可用作細菌發電的能量源,通過細菌在厭氧條件下分解有機物來產生能量,并以此驅動電生成。

  生物感應:MFC產生的電流與污水中可溶性有機物含量成正比,因此,它可用作測定污水中有機物含量的工具。一種基于MFC的生化需氧量(BOD)感應器已被研發出來。它能準確測量BOD水平,并已實現商業化。

  生物回收:在細菌發電過程中,產生的電子有助于還原廢水中的重金屬離子。這一特性使其成為一種有效的重金屬回收方法。比如,已有研究設計了能夠將廢水中的銅離子還原為金屬銅的發電裝置,從而實現銅的回收再利用。


結語

  細菌發電不僅歷史悠久,而且應用廣泛。它可以解決發電產能和污水處理問題,同時還具有生物感應和生物回收的潛力。

  針對天然產電菌對環境條件較為挑剔的問題,科學家們已經開始轉向使用更為靈活的大腸桿菌作為生物發電的替代方案,并已取得令人矚目的進展。隨著科技的不斷發展,細菌發電有望越來越廣泛地應用于我們的日常生活中。

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出品:科普中國

作者:Denovo團隊

監制:中國科普博覽

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