神奇的紫色细菌“电池”：能将污水转化为清洁能源

你今天可能把有价值的东西冲进马桶了：）

生活污水和工业废水中的有机化合物是丰富的能源、生物塑料甚至动物饲料蛋白质的潜在来源，但由于没有有效的提取方法，处理厂将它们作为污染物丢弃。

现在，研究人员已经找到了一种环保、经济的解决方案。发表在《能源前沿研究》(FrontiersinEnergyResearch)，他们的研究是第一个显示紫色光合细菌——可以从光储存能量——当被提供电流时可以恢复到接近来自任何类型的有机废物的100％的碳，同时可以产生氢气用于发电。

西班牙胡安卡洛斯国王大学(KingJuanCarlosUniversity)的丹尼尔·普约尔(DanielPuyol)博士说，目前污水处理厂最重要的问题之一是高碳排放。我们基于光的生物精炼厂工艺可以提供一种从废水中获取绿色能源的方法，而且碳足迹为零。

目前污水处理厂最重要的问题之一是高碳排放，基于光的生物精炼厂工艺可以提供一种从废水中获取绿色能源的方法，而且碳足迹为零。

★紫色光合细菌★

说到光合作用，“绿色废弃物”成了人们关注的焦点。

但当叶绿素从秋天的树叶中撤退时，它留下了黄色、橙色和红色的表亲。事实上，光合色素有各种颜色——存在于各种生物中。

它们利用各种各样的色素从阳光中获取能量，这些色素使它们变成橙色、红色或棕色——以及紫色。但是，让科学家们如此感兴趣的是它们新陈代谢的多样性，而不是它们的颜色。

紫色光合细菌是从有机废物中回收资源的理想工具，因为它们的代谢高度多样化，普约尔解释说。细菌可以利用有机分子和氮气——而不是二氧化碳和水——来提供碳、电子和氮进行光合作用。

这意味着它们的生长速度快于其他光合细菌和藻类，并且可以产生氢气、蛋白质或一种可降解的聚酯，作为新陈代谢的副产品。

当叶绿素从秋天的树叶中撤退时，它留下了黄色、橙色和红色的表亲。(图片来自于网络)

★用电流调节代谢输出★

哪些代谢产物占主导地位取决于细菌的环境条件——比如光照强度、温度，以及可用的有机物和营养物质的类型。

来自西班牙Alcala大学的亚伯拉罕·埃斯特维-努涅斯(AbrahamEsteve-Nunez)教授说，我们的研究小组根据有机废物来源和市场需求，操纵这些条件来调整紫色细菌的代谢以适应不同的应用。但是我们的方法的独特之处在于使用外部电流来优化紫色细菌的产量。

这个被称为生物电化学系统的概念之所以有效，是因为紫色细菌不同的代谢途径是由一个共同的介质连接起来的：电子。

例如，获取光能需要电子供应，而将氮转化为氨会释放多余的电子，而这些电子必须被耗散。通过优化细菌内部的电子流动，电流——通过正极和负极提供，就像电池一样——可以划分这些过程并最大限度地提高合成速率。

在生物电化学(红线)和控制电化学操作(蓝线)期间的不同时间间隔的循环伏安图。(图片来自www.frontiersin.org)

★最大的生物能量，最小的碳足迹★

在他们最新的研究中，研究小组分析了紫色光合细菌混合生产氢的最佳条件。他们还测试了负电流(即生长介质中金属电极提供的电子)对细菌代谢行为的影响。

他们的第一个关键发现是，喂养最高产氢率的营养混合物也会将二氧化碳的产量降至最低。

Esteve-Nunez报道说，这表明紫色细菌可以用废水中常见的有机物——苹果酸和谷氨酸钠——回收有价值的生物燃料，而且碳足迹很低。

更引人注目的是使用电极的结果，首次证明紫色细菌能够利用负极或负极的电子通过光合作用捕获二氧化碳。来自我们的生物电化学系统的记录显示紫色细菌和电极之间有明显的相互作用：电极的负极化导致可检测到的电子消耗，与减少二氧化碳的产生有关。这表明紫色细菌利用阴极上的电子通过光合作用从有机化合物中捕获更多的碳，所以释放出的二氧化碳更少。

★用于制氢的生物电化学系统★

根据作者的说法，这是首次报道在生物电化学系统中使用混合培养的紫色细菌，也首次证明了由于与阴极相互作用而引起的光营养体代谢变化。

捕获紫色细菌产生的多余的二氧化碳不仅有助于减少碳排放，而且有助于从有机废物中提炼沼气作为燃料。

然而，普约尔承认，这两家公司的真正目标还远未实现。这项研究最初的目标之一是通过从阴极向紫色细菌代谢提供电子来增加生物氢的产生。然而，PPB细菌似乎更喜欢用这些电子来固定二氧化碳，而不是制造H2。“我们最近获得了资金，可以进一步研究以实现这一目标，并将在今后几年内为此工作。”