科學(xué)家解決了長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。在一份新的研究報告中，斯坦福大學(xué)的團隊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。“我們是第一個證實該機理的團隊?！痹撗芯堪l(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能、風(fēng)能、核能等可再生能源進行轉(zhuǎn)化?！盇lfred 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ι锔g產(chǎn)生影響，可以讓科學(xué)家有一個全新的認識。“生物腐蝕是一個全球性問題，”Spormann說。“每年因此而產(chǎn)生的經(jīng)濟損失大約為10億美元。”

    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。然而燃燒天然氣會釋放二氧化碳，這會加速全球變暖。相比之下，甲烷菌是一個不錯的選擇。這種單細胞有機體類似細菌，但屬于不同類別，稱為古細菌。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。整個過程將會是碳平衡過程?！爱?dāng)微生物產(chǎn)生的甲烷被燃燒以后，二氧化碳會進入大氣，從而進入下一個循環(huán)?！盨pormann說。“天然氣燃燒的是埋藏在地底下上百萬年的碳?！?/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。為了實現(xiàn)這一點，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。”甲烷需要來自于氫氣或者其他分子的電子，這些電子是有機材料或細菌發(fā)酵過程中產(chǎn)生的。“這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。在實驗室中，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送，而電能如何被這些微生物攝取則是科學(xué)界爭論的焦點?！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產(chǎn)生相同的效果。從工程師的角度看，如果你要設(shè)計一個電極來適應(yīng)大多數(shù)微生物細胞與酶，這的確不容易?！?/P>

    用酶做實驗

    在該實驗中，斯坦福大學(xué)的團隊采用了一種叫做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。但是研究人員同時也檢測了氫氣，氫的電子會轉(zhuǎn)移到甲烷分子上嗎?為了弄清楚這一點，該團隊通過使用M. maripaludis霉來重復(fù)了這個實驗。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，但是甲烷產(chǎn)量明顯下降了?！爱?dāng)沒有氫化酶的時候，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一步的測試表明，沒有甲烷菌的情況下，氫化酶和其他酶會直接從電極獲得電子。這表明微生物本身并不會參與轉(zhuǎn)移過程?！斑@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)知道了確定的酶會攝入電子，我們可以控制它們，使得它們可以更有效率;同時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€好處是，我們不必設(shè)計多孔電極來滿足甲烷菌了?！彼固垢F隊進一步發(fā)現(xiàn)，甲烷菌酶在生物腐蝕過程中扮演著相似的角色。鐵會直接將電子傳遞給氫化酶，酶則會利用這些電子來制備氫分子，而這些氫分子又會被甲烷菌消耗掉。較少環(huán)境中的氫化酶可以降低腐蝕的速率?！耙婚_始我們也被這樣的結(jié)果震驚了，因為一旦酶出現(xiàn)在細胞外面則退化非?？?，但是我們的研究表明自由酶附著在電極表面一個月甚至兩個月仍然具有活性。了解清楚它們存在的原因可以對減少腐蝕有很強的指導(dǎo)意義，同時可以提高微生物甲烷及其他化學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)量。”