利用細(xì)菌生產(chǎn)清潔能源

在科學(xué)研究領(lǐng)域，多數(shù)時(shí)候細(xì)菌是人類的友軍。它們常常會(huì)給科學(xué)家?guī)?lái)意想不到的驚喜。與細(xì)菌合作，可能是人類未來(lái)清潔能源的出路之一。

南方周末特約撰稿 祝葉華

微生物如何利用陽(yáng)光、水和碳、氮等元素的細(xì)微差別似乎與現(xiàn)代生活脫節(jié)，但這些知識(shí)對(duì)于滿足人類不斷增長(zhǎng)的能源需求卻是至關(guān)重要的。

自生物能源出現(xiàn)以來(lái)，微生物中的細(xì)菌就與之產(chǎn)生了千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，無(wú)論是生物乙醇、生物柴油還是生物制氫，細(xì)菌都有份參與。所以，越來(lái)越多的人認(rèn)為，未來(lái)的清潔能源和“碳中性”能源或許會(huì)依賴于將太陽(yáng)的光能有效地轉(zhuǎn)化為燃料和電力的技術(shù)，與細(xì)菌合作，可能是未來(lái)清潔能源的出路之一。

吃掉陽(yáng)光，產(chǎn)生燃料

細(xì)菌是敵也是友。在科學(xué)研究領(lǐng)域，多數(shù)時(shí)候細(xì)菌是人類的友軍。它們常常會(huì)給科學(xué)家?guī)?lái)意想不到的驚喜。例如，細(xì)菌教會(huì)了我們?nèi)绾卫枚趸贾圃炀G色能源。

在植物光合作用的靈感下，科學(xué)家改造了細(xì)菌，讓細(xì)菌體內(nèi)負(fù)責(zé)催化作用的酶裝備升級(jí)。在人工酶的幫助下，特定的細(xì)菌可以吸收陽(yáng)光的能量，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔?，進(jìn)而用于制作燃料。加州大學(xué)歐文分校的分子生物學(xué)家Hu Yilin研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了天然存在的固氮酶（如存在于Azotobacter vinelandii和Methanosarcina acetivorans細(xì)菌里的固氮酶）的合成版本。戰(zhàn)斗力升級(jí)的固氮菌，可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化成碳?xì)浠衔?，包括甲烷、丙烷、丁烷和乙烯?/p>

2016年，一個(gè)國(guó)際研究小組在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)文稱，已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種可以從空氣中吸收二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化為燃料的細(xì)菌——R. palustris。這是逆向燃燒的過(guò)程，R. palustris細(xì)菌利用陽(yáng)光產(chǎn)生甲烷和氫氣。在反應(yīng)中，固氮酶起到了關(guān)鍵作用。這種酶在自然界中可以作為催化劑，使用三磷酸腺苷(ATP)，幫助某些細(xì)菌將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為活性氨，即氮還原或固氮。受固氮作用的啟發(fā)，研究人員想知道是否能調(diào)整這種固氮酶，讓它可以與其他穩(wěn)定分子一起工作。研究小組改良R. palustris細(xì)菌后，細(xì)菌體內(nèi)經(jīng)過(guò)修飾的固氮酶不再具有固氮的作用，卻可以吃掉“陽(yáng)光”，用二氧化碳作為它的起始物質(zhì)，產(chǎn)生甲烷和氫氣。另一方面，在R.palustris中，新的工程固氮酶僅用一步，就可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷，簡(jiǎn)化了反應(yīng)過(guò)程。二氧化碳到甲烷的轉(zhuǎn)變發(fā)生在生物體中，也就是發(fā)生在環(huán)境溫度下，所以降低了生產(chǎn)生物燃料所需的能量。

當(dāng)生物體捕捉光并在光合作用過(guò)程中制造食物時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)充斥著我們的海洋、覆蓋了全世界的潮濕表面的藍(lán)藻細(xì)菌也可以利用捕獲的光產(chǎn)生的能量來(lái)產(chǎn)生氫氣。一篇發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Report）上的文章稱，一種名為“藍(lán)綠藻”的藍(lán)藻細(xì)菌可以借助陽(yáng)光生產(chǎn)氫氣，與R. palustris反應(yīng)機(jī)理相同，藍(lán)藻細(xì)菌也是通過(guò)基因工程改造后的固氮酶的催化作用，完成了二氧化碳到氫氣的轉(zhuǎn)化。

在《科學(xué)美國(guó)人》（Scientific American）發(fā)布的2017年全球十大新興技術(shù)中，包含一項(xiàng)以陽(yáng)光為食，在細(xì)菌的參與下，產(chǎn)生液體燃料的技術(shù)——仿生葉片。該技術(shù)利用太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能來(lái)電解水得到氫氣，再用氫氣來(lái)還原空氣中的二氧化碳得到方便易用的液體燃料。哈佛大學(xué)科學(xué)家模仿了樹(shù)葉的光合作用，在新型鈷-磷催化劑的作用下，讓“仿生樹(shù)葉”通過(guò)細(xì)菌參與的化合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物異丙醇，實(shí)現(xiàn)了能量的生成和儲(chǔ)存。

伊利諾伊大學(xué)的研究人員也在《科學(xué)》（Science）發(fā)文稱，他們同樣設(shè)計(jì)了一種“人工葉子”，只利用太陽(yáng)光作為能源，就可以將大氣中的二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為可用的碳?xì)浠衔锶剂?。這種模仿植物吸收二氧化碳的技術(shù)，可用于為車輛提供動(dòng)力的合成燃料。稍有不同的是，植物“吃掉”二氧化碳產(chǎn)生糖，而人工葉片“吃掉”二氧化碳后則是生成氫氣和一氧化碳的混合物，混合物可以直接燃燒，也可以轉(zhuǎn)化其他碳?xì)浠衔锶剂希绮裼汀?/p>

轉(zhuǎn)化二氧化碳

在尋找可再生燃料的過(guò)程中，細(xì)菌擁有超強(qiáng)的生產(chǎn)能力，它們可以激發(fā)人造酶，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔铮細(xì)浠衔锟梢杂脕?lái)制造燃料或塑料。

2016年，哈佛大學(xué)化學(xué)家丹尼爾·諾切拉（Daniel Nocera）研究團(tuán)隊(duì)（上文提到的仿生葉片之一也是出自該團(tuán)隊(duì)之手）在《科學(xué)》（Science）發(fā)表研究結(jié)果稱，他們改良得到一種名為Ralstoneutropha的基因工程細(xì)菌，它可以模仿植物葉片吸收二氧化碳和氫氣，產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP），再進(jìn)一步ATP轉(zhuǎn)換生成酒精燃料。

對(duì)于Ralstoneutropha的基因工程細(xì)菌，多數(shù)人可能不熟悉。相比之下，與人類相伴終生的大腸桿菌“知名度”更高，這種原本存在于人體腸道的常見(jiàn)細(xì)菌，后來(lái)被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)居然是優(yōu)良的二氧化碳轉(zhuǎn)換器。

2018年，為了解鎖新的碳捕捉技術(shù)，蘇格蘭鄧迪大學(xué)教授弗蘭克·薩金特（Frank Sargent）等開(kāi)發(fā)了利用大腸桿菌將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸的方法，相關(guān)研究成果發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology）上。在這個(gè)過(guò)程中大腸桿菌利用甲酸氫裂解酶催化轉(zhuǎn)化。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大腸桿菌處于二氧化碳和氫氣混合環(huán)境中的壓力為10倍大氣壓力時(shí)，精確控制pH值，轉(zhuǎn)換效率會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)。與正常大氣壓相比，如果甲酸產(chǎn)量增加20倍，二氧化碳轉(zhuǎn)化效率可達(dá)100%。

2015年，法國(guó)原子能及可替代能源署、法國(guó)國(guó)家科研中心等機(jī)構(gòu)的研究人員，發(fā)現(xiàn)了甲酸脫氫酶將二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲酸的生物機(jī)制，研究成果發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上。研究選取大腸桿菌為目標(biāo)菌群，這是因?yàn)樵谏锩赴l(fā)生催化反應(yīng)的時(shí)候，需要一種名為“輔因子”的非蛋白質(zhì)化合物作為“激活”開(kāi)關(guān)，激活生物酶。而在大腸桿菌中，一種含有鉬元素的輔因子是其“激活”開(kāi)關(guān)，含鉬輔因子通過(guò)固定硫原子（脫硫）來(lái)實(shí)現(xiàn)二氧化碳到甲酸的轉(zhuǎn)化。之所以選擇大腸桿菌，是因?yàn)樵诖竽c桿菌中含有一種特定的“伴侶蛋白”，它可以將無(wú)機(jī)狀態(tài)下不穩(wěn)定的硫原子與含鉬輔因子緊緊地捆綁在一起。這樣一來(lái)，不管是性質(zhì)不穩(wěn)定的含鉬輔因子還是活性高的硫原子，都收起了“躁動(dòng)的心”，乖乖地協(xié)作激活后續(xù)的催化反應(yīng)。

丙烷是一種清潔能源，目前，丙烷的生產(chǎn)大都來(lái)自原油和天然氣冶煉的副產(chǎn)品。然而沒(méi)有生成丙烷的自然代謝途徑。生物丙烷是一種很好的替代化石燃料，它可以使用和現(xiàn)在同樣的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)生產(chǎn)從石油中提取的丙烷。英國(guó)和芬蘭的科學(xué)研究小組在《自然通訊》上發(fā)表研究結(jié)果稱，他們發(fā)現(xiàn)了一種特殊的生物途徑，能讓大腸桿菌將脂肪酸轉(zhuǎn)化成丙烷。研究人員通過(guò)一些酶（硫酯酶、CAR酶和脫甲基醛加氧酶）阻斷大腸桿菌中脂肪酸進(jìn)入細(xì)胞膜的生物過(guò)程，并引導(dǎo)脂肪酸進(jìn)入不同的生物途徑，最終開(kāi)發(fā)出利用大腸桿菌制造丙烷的新技術(shù)。

除此之外，在航空航天領(lǐng)域，細(xì)菌也有用武之地。佐治亞理工學(xué)院與聯(lián)合生物能源研究院科學(xué)家通過(guò)轉(zhuǎn)基因工程改造細(xì)菌，讓它們能夠合成蒎烯，有望替代在導(dǎo)彈發(fā)射及其他航空領(lǐng)域使用的航空燃料JP-10。蒎烯是一種從樹(shù)木中提煉的化合物，經(jīng)二聚化后生成蒎烯二聚體，蒎烯二聚體的能量密度和航空燃料JP-10類似。由于從石油中能夠提煉的JP-10供給有限，因此科學(xué)家努力尋找替代酶，將其插入大腸桿菌以產(chǎn)生蒎烯，以期將來(lái)能補(bǔ)充燃料的不足。

污水發(fā)電

人類借助細(xì)菌生產(chǎn)電的研究也已有多年的積累?！拔⑸锶剂想姵亍本褪怯眉?xì)菌產(chǎn)生的電化學(xué)梯度產(chǎn)生電能的技術(shù)。在一些研究中，科學(xué)家已經(jīng)能成功地借助自然產(chǎn)生的細(xì)菌的能量，從工業(yè)廢水中產(chǎn)生大量的電能。

2016年，弗吉尼亞理工學(xué)院的研究人員發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）上的一篇文章闡明了具有電化學(xué)活性的細(xì)菌產(chǎn)生能量的原理，并介紹了從廢棄物中獲取能源的可持續(xù)性運(yùn)動(dòng)。研究結(jié)果顯示，兩種特定基質(zhì)（乳酸鹽基質(zhì)和甲酸鹽基質(zhì)）參與了細(xì)菌發(fā)電的過(guò)程。其中，乳酸鹽基質(zhì)用于支持細(xì)胞生長(zhǎng)，甲酸鹽基質(zhì)在氧化后會(huì)釋放電子，用于發(fā)電。他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種基質(zhì)共同工作的時(shí)候產(chǎn)生的能量要多于單獨(dú)工作，所以也可以說(shuō)是眾“菌”拾柴火焰多。不過(guò)污水里的有機(jī)物并不都是直接參與發(fā)電的過(guò)程，其中的一部分有機(jī)物被發(fā)電細(xì)菌當(dāng)做食物，另外還有一些有機(jī)物則是作為導(dǎo)電介質(zhì)而存在。

浙江大學(xué)能源工程學(xué)院教授成少安課題組早在2014年就“馴化”成千上萬(wàn)個(gè)的細(xì)菌，讓它們利用污水進(jìn)行發(fā)電。經(jīng)過(guò)馴化的細(xì)菌，能夠持續(xù)地消耗廢水中的有機(jī)物，既清潔了廢水，又能發(fā)電，而且對(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)是“零負(fù)擔(dān)”。不過(guò)，由于電流來(lái)自細(xì)菌體內(nèi)新陳代謝產(chǎn)生的電子，所以細(xì)菌電池電量十分微弱。

人類并不是唯一利用電力的物種，現(xiàn)在看來(lái)，細(xì)菌也會(huì)“用電”，它們會(huì)產(chǎn)生像電線一樣從表面延伸出來(lái)的結(jié)構(gòu)，從而將電子傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的地方。最近，美國(guó)國(guó)家航空航天局位于加州硅谷的艾姆斯研究中心的科學(xué)家們正在探索污水發(fā)電的現(xiàn)象，也許他們能夠利用這些特殊的細(xì)菌，在未來(lái)的太空任務(wù)中發(fā)揮重要作用——從發(fā)電到處理廢水或生產(chǎn)藥品。