“細菌也能直接放電”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知。如今，很多污染物預警和快速降解、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，天津大學化工學院教授宋浩團隊在《定量生物學》刊文，回顧了以細胞色素和導電納米線為核心的導電蛋白質(zhì)，在微生物電子傳遞過程中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。文章展望了細胞色素和導電納米線未來潛在研究方向，為推動電活性微生物實際應用提供了參考。
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希瓦氏菌和嚴格厭氧菌硫還原地桿菌的研究最為廣泛。在21世紀初，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一步認識。
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)在細胞呼吸作用中被氧化，釋放的電子通過細胞呼吸鏈傳遞、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24個電子。
宋浩進一步解釋，產(chǎn)電活性微生物的能量釋放不僅局限于細胞內(nèi)，它們還可以進行胞外電子轉(zhuǎn)移。產(chǎn)電活性微生物通過細胞膜上內(nèi)嵌的導電蛋白和電子傳遞載體，以及從細胞膜生長出來的導電納米線，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)動細胞物質(zhì)合成，實現(xiàn)從電能到化學能的轉(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)的高值化學品，為實現(xiàn)“雙碳”目標建立技術(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系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)正逐漸步入產(chǎn)業(yè)化應用，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品技術(shù)成了當今投資界的新寵。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用潛力，但其應用仍面臨著科學、工程、經(jīng)濟和社會等多個層面的挑戰(zhàn)。”宋浩說。
天津大學化工學院副研究員李鋒認為，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)化應用的核心瓶頸。
在噬電活性微生物的應用上，天津大學化工學院副教授曹英秀介紹，噬電細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用的重要因素。
此外，宋浩認為，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)應用可能涉及到法規(guī)和倫理問題。尤其是在食品、醫(yī)學、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)和倫理標準。
“生物電化學系統(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，未來還需要多學科的共同努力。”宋浩說。
“細菌也能直接放電”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知。如今，很多污染物預警和快速降解、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，天津大學化工學院教授宋浩團隊在《定量生物學》刊文，回顧了以細胞色素和導電納米線為核心的導電蛋白質(zhì)，在微生物電子傳遞過程中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。文章展望了細胞色素和導電納米線未來潛在研究方向，為推動電活性微生物實際應用提供了參考。
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希瓦氏菌和嚴格厭氧菌硫還原地桿菌的研究最為廣泛。在21世紀初，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一步認識。
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)在細胞呼吸作用中被氧化，釋放的電子通過細胞呼吸鏈傳遞、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24個電子。
宋浩進一步解釋，產(chǎn)電活性微生物的能量釋放不僅局限于細胞內(nèi)，它們還可以進行胞外電子轉(zhuǎn)移。產(chǎn)電活性微生物通過細胞膜上內(nèi)嵌的導電蛋白和電子傳遞載體，以及從細胞膜生長出來的導電納米線，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)動細胞物質(zhì)合成，實現(xiàn)從電能到化學能的轉(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)的高值化學品，為實現(xiàn)“雙碳”目標建立技術(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系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)正逐漸步入產(chǎn)業(yè)化應用，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品技術(shù)成了當今投資界的新寵。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用潛力，但其應用仍面臨著科學、工程、經(jīng)濟和社會等多個層面的挑戰(zhàn)。”宋浩說。
天津大學化工學院副研究員李鋒認為，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)化應用的核心瓶頸。
在噬電活性微生物的應用上，天津大學化工學院副教授曹英秀介紹，噬電細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用的重要因素。
此外，宋浩認為，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)應用可能涉及到法規(guī)和倫理問題。尤其是在食品、醫(yī)學、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)和倫理標準。
“生物電化學系統(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，未來還需要多學科的共同努力。”宋浩說。
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