科學家解決了長久以來困惑人們的關于甲烷的秘密，即微生物能將電能和二氧化碳轉化為甲烷。該發(fā)現也將有助于科學家為微生物工廠設計電極，以便于生產甲烷氣體或其他化合物。
來自斯坦福大學的科學家解決了長久以來困惑人們的關于甲烷的秘密，即微生物能將電能和二氧化碳轉化為甲烷。在一份新的研究報告中，斯坦福大學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)現也將有助于科學家為微生物工廠設計電極，以便于生產甲烷氣體或其他化合物。“關于如何將電極中的電子轉移到甲烷晶胞中，這里有幾種假設?！盝örgDeutzmann說?！拔覀兪堑谝粋€證實該機理的團隊。”該研究發(fā)表在《分子生物技術》雜志上。
“我們的整體目標是創(chuàng)造大量的生物反應器，在這里微生物能將大氣中的二氧化碳和太陽能、風能、核能等可再生能源進行轉化?！盇lfred Spormann說。“現在我們已經理解了甲烷獲得電能的方式，因此我們可以能通過傳統電極傳遞更多能量，從而使微生物可以更快地工作?！痹撗芯恳矔ι锔g產生影響，可以讓科學家有一個全新的認識?！吧锔g是一個全球性問題，”Spormann說。“每年因此而產生的經濟損失大約為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、運輸、烹飪以及產生電能等。目前大多數甲烷來自于天然氣。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，其產物為純凈的甲烷氣體。研究人員正視圖開發(fā)大型反應器用于生產甲烷，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?！爱斘⑸锂a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?！疤烊粴馊紵氖锹癫卦诘氐紫律习偃f年的碳?！?/P>
電子攝入
為了在工業(yè)規(guī)模上生產甲烷，電能應該是最需要注意的，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移速率，從而增加甲烷產量?！奔淄樾枰獊碜杂跉錃饣蛘咂渌肿拥碾娮?，這些電子是有機材料或細菌發(fā)酵過程中產生的?！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。在實驗室中，甲烷菌并不用擔心食物來源，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界爭論的焦點?！爸饕募僭O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)現微生物酶和其它分子也會產生相同的效果。從工程師的角度看，如果你要設計一個電極來適應大多數微生物細胞與酶，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，但是甲烷產量明顯下降了。“當沒有氫化酶的時候，甲烷產量大大下降，這說明產生甲烷的過程涉及到大量的與氫氣有關的電子轉移過程?！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移過程。“這些酶能附著在電極表面，產生微小分子，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
“現在我們已經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?！彼f?！傲硪粋€好處是，我們不必設計多孔電極來滿足甲烷菌了。”斯坦福團隊進一步發(fā)現，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果震驚了，因為一旦酶出現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意義，同時可以提高微生物甲烷及其他化學產品的產量?！?/div >