利用細菌生產清潔能源

文／祝葉華

南方周末特約撰稿

來源：本文首發於2018年8月2日《南方周末》

2014年，英國首輛生態公交車Bio-Bus上路，這種生態公交車以人類糞便或廢棄食品等產生的甲烷氣體為燃料，將大大改善英國的空氣質量。（東方IC/圖）

在科學研究領域，多數時候細菌是人類的友軍。它們常常會給科學家帶來意想不到的驚喜。與細菌合作，可能是人類未來清潔能源的出路之一。

微生物如何利用陽光、水和碳、氮等元素的細微差別似乎與現代生活脫節，但這些知識對於滿足人類不斷增長的能源需求卻是至關重要的。

自生物能源出現以來，微生物中的細菌就與之產生了千絲萬縷的聯繫，無論是生物乙醇、生物柴油還是生物制氫，細菌都有份參與。所以，越來越多的人認為，未來的清潔能源和「碳中性」能源或許會依賴於將太陽的光能有效地轉化為燃料和電力的技術，與細菌合作，可能是未來清潔能源的出路之一。

吃掉陽光，產生燃料

細菌是敵也是友。在科學研究領域，多數時候細菌是人類的友軍。它們常常會給科學家帶來意想不到的驚喜。例如，細菌教會了我們如何利用二氧化碳製造綠色能源。

在植物光合作用的靈感下，科學家改造了細菌，讓細菌體內負責催化作用的酶裝備升級。在人工酶的幫助下，特定的細菌可以吸收陽光的能量，將二氧化碳轉化為碳氫化合物，進而用於製作燃料。加州大學歐文分校的分子生物學家Hu Yilin研究團隊發現了天然存在的固氮酶（如存在於Azotobacter vinelandii和Methanosarcina acetivorans細菌里的固氮酶）的合成版本。戰鬥力升級的固氮菌，可以將二氧化碳轉化成碳氫化合物，包括甲烷、丙烷、丁烷和乙烯。

2016年，一個國際研究小組在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發文稱，已經設計出一種可以從空氣中吸收二氧化碳並將其轉化為燃料的細菌——R. palustris。這是逆向燃燒的過程，R. palustris細菌利用陽光產生甲烷和氫氣。在反應中，固氮酶起到了關鍵作用。這種酶在自然界中可以作為催化劑，使用三磷酸腺苷(ATP)，幫助某些細菌將大氣中的氮氣轉化為活性氨，即氮還原或固氮。受固氮作用的啟發，研究人員想知道是否能調整這種固氮酶，讓它可以與其他穩定分子一起工作。研究小組改良R. palustris細菌後，細菌體內經過修飾的固氮酶不再具有固氮的作用，卻可以吃掉「陽光」，用二氧化碳作為它的起始物質，產生甲烷和氫氣。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化為甲烷，簡化了反應過程。二氧化碳到甲烷的轉變發生在生物體中，也就是發生在環境溫度下，所以降低了生產生物燃料所需的能量。

當生物體捕捉光並在光合作用過程中製造食物時，科學家發現充斥著我們的海洋、覆蓋了全世界的潮濕表面的藍藻細菌也可以利用捕獲的光產生的能量來產生氫氣。一篇發表在《科學報告》（Scientific Report）上的文章稱，一種名為「藍綠藻」的藍藻細菌可以藉助陽光生產氫氣，與R. palustris反應機理相同，藍藻細菌也是通過基因工程改造後的固氮酶的催化作用，完成了二氧化碳到氫氣的轉化。

在《科學美國人》（Scientific American）發布的2017年全球十大新興技術中，包含一項以陽光為食，在細菌的參與下，產生液體燃料的技術——仿生葉片。該技術利用太陽能電池產生的電能來電解水得到氫氣，再用氫氣來還原空氣中的二氧化碳得到方便易用的液體燃料。哈佛大學科學家模仿了樹葉的光合作用，在新型鈷-磷催化劑的作用下，讓「仿生樹葉」通過細菌參與的化合作用將二氧化碳轉化為有機物異丙醇，實現了能量的生成和儲存。

伊利諾伊大學的研究人員也在《科學》（Science）發文稱，他們同樣設計了一種「人工葉子」，只利用太陽光作為能源，就可以將大氣中的二氧化碳直接轉化為可用的碳氫化合物燃料。這種模仿植物吸收二氧化碳的技術，可用於為車輛提供動力的合成燃料。稍有不同的是，植物「吃掉」二氧化碳產生糖，而人工葉片「吃掉」二氧化碳後則是生成氫氣和一氧化碳的混合物，混合物可以直接燃燒，也可以轉化其他碳氫化合物燃料，例如柴油。

轉化二氧化碳

在尋找可再生燃料的過程中，細菌擁有超強的生產能力，它們可以激發人造酶，將二氧化碳轉化為碳氫化合物，而碳氫化合物可以用來製造燃料或塑料。

2016年，哈佛大學化學家丹尼爾·諾切拉（Daniel Nocera）研究團隊（上文提到的仿生葉片之一也是出自該團隊之手）在《科學》（Science）發表研究結果稱，他們改良得到一種名為Ralstoneutropha的基因工程細菌，它可以模仿植物葉片吸收二氧化碳和氫氣，產生三磷酸腺苷（ATP），再進一步ATP轉換生成酒精燃料。

對於Ralstoneutropha的基因工程細菌，多數人可能不熟悉。相比之下，與人類相伴終生的大腸桿菌「知名度」更高，這種原本存在於人體腸道的常見細菌，後來被科學家發現居然是優良的二氧化碳轉換器。

2018年，為了解鎖新的碳捕捉技術，蘇格蘭鄧迪大學教授弗蘭克·薩金特（Frank Sargent）等開發了利用大腸桿菌將二氧化碳轉化為甲酸的方法，相關研究成果發表在《當代生物學》（Current Biology）上。在這個過程中大腸桿菌利用甲酸氫裂解酶催化轉化。研究同時發現，當大腸桿菌處於二氧化碳和氫氣混合環境中的壓力為10倍大氣壓力時，精確控制pH值，轉換效率會達到最佳狀態。與正常大氣壓相比，如果甲酸產量增加20倍，二氧化碳轉化效率可達100%。

2015年，法國原子能及可替代能源署、法國國家科研中心等機構的研究人員，發現了甲酸脫氫酶將二氧化碳轉化成甲酸的生物機制，研究成果發表在《自然通訊》（Nature Communications）上。研究選取大腸桿菌為目標菌群，這是因為在生物酶發生催化反應的時候，需要一種名為「輔因子」的非蛋白質化合物作為「激活」開關，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」開關，含鉬輔因子通過固定硫原子（脫硫）來實現二氧化碳到甲酸的轉化。之所以選擇大腸桿菌，是因為在大腸桿菌中含有一種特定的「伴侶蛋白」，它可以將無機狀態下不穩定的硫原子與含鉬輔因子緊緊地捆綁在一起。這樣一來，不管是性質不穩定的含鉬輔因子還是活性高的硫原子，都收起了「躁動的心」，乖乖地協作激活後續的催化反應。

丙烷是一種清潔能源，目前，丙烷的生產大都來自原油和天然氣冶煉的副產品。然而沒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，它可以使用和現在同樣的基礎設施來生產從石油中提取的丙烷。英國和芬蘭的科學研究小組在《自然通訊》上發表研究結果稱，他們發現了一種特殊的生物途徑，能讓大腸桿菌將脂肪酸轉化成丙烷。研究人員通過一些酶（硫酯酶、CAR酶和脫甲基醛加氧酶）阻斷大腸桿菌中脂肪酸進入細胞膜的生物過程，並引導脂肪酸進入不同的生物途徑，最終開發出利用大腸桿菌製造丙烷的新技術。

除此之外，在航空航天領域，細菌也有用武之地。喬治亞理工學院與聯合生物能源研究院科學家通過轉基因工程改造細菌，讓它們能夠合成蒎烯，有望替代在導彈發射及其他航空領域使用的航空燃料JP-10。蒎烯是一種從樹木中提煉的化合物，經二聚化後生成蒎烯二聚體，蒎烯二聚體的能量密度和航空燃料JP-10類似。由於從石油中能夠提煉的JP-10供給有限，因此科學家努力尋找替代酶，將其插入大腸桿菌以產生蒎烯，以期將來能補充燃料的不足。

污水發電

人類藉助細菌生產電的研究也已有多年的積累。「微生物燃料電池」就是用細菌產生的電化學梯度產生電能的技術。在一些研究中，科學家已經能成功地藉助自然產生的細菌的能量，從工業廢水中產生大量的電能。

2016年，弗吉尼亞理工學院的研究人員發表在《科學報告》（Scientific Reports）上的一篇文章闡明了具有電化學活性的細菌產生能量的原理，並介紹了從廢棄物中獲取能源的可持續性運動。研究結果顯示，兩種特定基質（乳酸鹽基質和甲酸鹽基質）參與了細菌發電的過程。其中，乳酸鹽基質用於支持細胞生長，甲酸鹽基質在氧化後會釋放電子，用於發電。他們還發現，當兩種基質共同工作的時候產生的能量要多於單獨工作，所以也可以說是眾「菌」拾柴火焰多。不過污水裡的有機物並不都是直接參与發電的過程，其中的一部分有機物被發電細菌當做食物，另外還有一些有機物則是作為導電介質而存在。

浙江大學能源工程學院教授成少安課題組早在2014年就「馴化」成千上萬個的細菌，讓它們利用污水進行發電。經過馴化的細菌，能夠持續地消耗廢水中的有機物，既清潔了廢水，又能發電，而且對環境來說是「零負擔」。不過，由於電流來自細菌體內新陳代謝產生的電子，所以細菌電池電量十分微弱。

人類並不是唯一利用電力的物種，現在看來，細菌也會「用電」，它們會產生像電線一樣從表面延伸出來的結構，從而將電子傳輸到很遠的地方。最近，美國國家航空航天局位於加州矽谷的艾姆斯研究中心的科學家們正在探索污水發電的現象，也許他們能夠利用這些特殊的細菌，在未來的太空任務中發揮重要作用——從發電到處理廢水或生產藥品。

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