科學(xué)家解決了長(zhǎng)久以來困惑人們的關(guān)于甲烷的秘密，即微生物能將電能和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。該發(fā)現(xiàn)也將有助于科學(xué)家為微生物工廠設(shè)計(jì)電極，以便于生產(chǎn)甲烷氣體或其他化合物。

    來自斯坦福大學(xué)的科學(xué)家解決了長(zhǎng)久以來困惑人們的關(guān)于甲烷的秘密，即微生物能將電能和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。在一份新的研究報(bào)告中，斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)第一次表明了甲烷如何從固體表面獲得能量，該發(fā)現(xiàn)也將有助于科學(xué)家為微生物工廠設(shè)計(jì)電極，以便于生產(chǎn)甲烷氣體或其他化合物?！瓣P(guān)于如何將電極中的電子轉(zhuǎn)移到甲烷晶胞中，這里有幾種假設(shè)。”JörgDeutzmann說。“我們是第一個(gè)證實(shí)該機(jī)理的團(tuán)隊(duì)。”該研究發(fā)表在《分子生物技術(shù)》雜志上。

    “我們的整體目標(biāo)是創(chuàng)造大量的生物反應(yīng)器，在這里微生物能將大氣中的二氧化碳和太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等可再生能源進(jìn)行轉(zhuǎn)化。”Alfred Spormann說?！艾F(xiàn)在我們已經(jīng)理解了甲烷獲得電能的方式，因此我們可以能通過傳統(tǒng)電極傳遞更多能量，從而使微生物可以更快地工作?！痹撗芯恳矔?huì)對(duì)生物腐蝕產(chǎn)生影響，可以讓科學(xué)家有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)?！吧锔g是一個(gè)全球性問題，”Spormann說?！懊磕暌虼硕a(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失大約為10億美元?！?/P>

    來自于微生物的甲烷

    甲烷是一種非常重要的能源，可用于加熱、運(yùn)輸、烹飪以及產(chǎn)生電能等。目前大多數(shù)甲烷來自于天然氣。然而燃燒天然氣會(huì)釋放二氧化碳，這會(huì)加速全球變暖。相比之下，甲烷菌是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這種單細(xì)胞有機(jī)體類似細(xì)菌，但屬于不同類別，稱為古細(xì)菌。甲烷菌以二氧化碳和電能為食，其產(chǎn)物為純凈的甲烷氣體。研究人員正視圖開發(fā)大型反應(yīng)器用于生產(chǎn)甲烷，這些微生物可以以大氣中的二氧化碳和電極提供的電能為食。整個(gè)過程將會(huì)是碳平衡過程?！爱?dāng)微生物產(chǎn)生的甲烷被燃燒以后，二氧化碳會(huì)進(jìn)入大氣，從而進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)?！盨pormann說?！疤烊粴馊紵氖锹癫卦诘氐紫律习偃f(wàn)年的碳?！?/P>

    電子攝入

    為了在工業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)甲烷，電能應(yīng)該是最需要注意的，Deutzmann說?！澳壳白钪匾钠款i是如何通過電極獲得更多的電能。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，首先你必須知道甲烷菌如何攝入電子，然后你就可以提高電子轉(zhuǎn)移速率，從而增加甲烷產(chǎn)量?！奔淄樾枰獊碜杂跉錃饣蛘咂渌肿拥碾娮?，這些電子是有機(jī)材料或細(xì)菌發(fā)酵過程中產(chǎn)生的?！斑@些小分子是微生物的食物，他們可以消耗電能和二氧化碳來獲得甲烷?！盌eutzmann說。在實(shí)驗(yàn)室中，甲烷菌并不用擔(dān)心食物來源，電能通過電極源源不斷地運(yùn)送，而電能如何被這些微生物攝取則是科學(xué)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)?！爸饕募僭O(shè)是，許多微生物，包括甲烷菌，直接從電極獲得電子。但是在之前的研究中，我們發(fā)現(xiàn)微生物酶和其它分子也會(huì)產(chǎn)生相同的效果。從工程師的角度看，如果你要設(shè)計(jì)一個(gè)電極來適應(yīng)大多數(shù)微生物細(xì)胞與酶，這的確不容易?！?/P>

    用酶做實(shí)驗(yàn)

    在該實(shí)驗(yàn)中，斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)采用了一種叫做ethanococcusmaripaludis的甲烷菌。通過石墨電極供電可提供穩(wěn)定的電力，而微生物同樣以二氧化碳為食。不出所料，燒瓶中產(chǎn)生了甲烷氣體，表明甲烷菌可以消耗電能和二氧化碳。但是研究人員同時(shí)也檢測(cè)了氫氣，氫的電子會(huì)轉(zhuǎn)移到甲烷分子上嗎?為了弄清楚這一點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)通過使用M. maripaludis霉來重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。這些甲烷菌有六種基因被刪除了，使得它們不能產(chǎn)生氫化酶。雖然它們和正常的甲烷菌在同樣的環(huán)境中生長(zhǎng)，但是甲烷產(chǎn)量明顯下降了?！爱?dāng)沒有氫化酶的時(shí)候，甲烷產(chǎn)量大大下降，這說明產(chǎn)生甲烷的過程涉及到大量的與氫氣有關(guān)的電子轉(zhuǎn)移過程?！边M(jìn)一步的測(cè)試表明，沒有甲烷菌的情況下，氫化酶和其他酶會(huì)直接從電極獲得電子。這表明微生物本身并不會(huì)參與轉(zhuǎn)移過程。“這些酶能附著在電極表面，產(chǎn)生微小分子，例如氫氣等，這些氫氣可以被微生物利用?！盌eutzmann說。普通的甲烷菌會(huì)產(chǎn)生大量的酶，通過攪拌等方式可以將這些生物酶釋放到環(huán)境中，Deutzmann說。

    生物腐蝕

    “現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了確定的酶會(huì)攝入電子，我們可以控制它們，使得它們可以更有效率;同時(shí)我們也可以尋找其他的酶，以便更快速地完成這樣的過程。”他說?！傲硪粋€(gè)好處是，我們不必設(shè)計(jì)多孔電極來滿足甲烷菌了。”斯坦福團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，甲烷菌酶在生物腐蝕過程中扮演著相似的角色。鐵會(huì)直接將電子傳遞給氫化酶，酶則會(huì)利用這些電子來制備氫分子，而這些氫分子又會(huì)被甲烷菌消耗掉。較少環(huán)境中的氫化酶可以降低腐蝕的速率。“一開始我們也被這樣的結(jié)果震驚了，因?yàn)橐坏┟赋霈F(xiàn)在細(xì)胞外面則退化非?？欤俏覀兊难芯勘砻髯杂擅父街陔姌O表面一個(gè)月甚至兩個(gè)月仍然具有活性。了解清楚它們存在的原因可以對(duì)減少腐蝕有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，同時(shí)可以提高微生物甲烷及其他化學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)量?！?/div >