紫色細(xì)菌的電池將污水變成清潔能源

你今天在馬桶上沖了一些有價值的東西。

家庭污水和工業(yè)廢水中的有機(jī)化合物是動物飼料的豐富潛在能源，生物塑料甚至蛋白質(zhì) - 但由于沒有有效的提取方法，處理廠將其作為污染物丟棄?，F(xiàn)在研究人員已經(jīng)找到了一種環(huán)保且具有成本效益的解決方案。

發(fā)表在能源研究前沿，他們的研究首次表明紫色光養(yǎng)細(xì)菌 - 它可以儲存光能 - 當(dāng)提供電流時，可以從任何類型的有機(jī)廢物中回收接近100%的碳，同時產(chǎn)生氫用于發(fā)電的天然氣。

“目前廢水處理廠最重要的問題之一是高碳排放，”共同作者，西班牙國王胡安卡洛斯大學(xué)的Daniel Puyol博士說。“我們的基于光的生物精煉工藝可以提供一種從廢水中獲取綠色能源的方法，零碳足跡。”

紫色光合細(xì)菌

在光合作用方面，綠色豬群成為眾人矚目的焦點(diǎn)。但是，當(dāng)葉綠素從秋天的樹葉中退縮時，它會留下黃色，橙色和紅色的表兄弟。事實(shí)上，光合色素有各種各樣的顏色和各種生物。

提示紫色光養(yǎng)細(xì)菌。它們使用各種顏料從陽光中捕獲能量，這些顏料會變成橙色，紅色或棕色以及紫色。但它的新陳代謝的多功能性，而不是它們的顏色，這使它們對科學(xué)家來說如此有趣。

“紫色光養(yǎng)細(xì)菌因其高度多樣化的新陳代謝而成為有機(jī)廢物資源回收的理想工具，”普約爾解釋道。

細(xì)菌可以使用有機(jī)分子和氮?dú)?- 而不是CO2和H2O-為光合作用提供碳，電子和氮。這意味著它們比替代的光養(yǎng)細(xì)菌和藻類生長得更快，并且可以產(chǎn)生氫氣，蛋白質(zhì)或一種可生物降解的聚酯作為代謝的副產(chǎn)物。

用電來調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)物

哪種代謝產(chǎn)物占主導(dǎo)地位取決于細(xì)菌的環(huán)境條件，如光照強(qiáng)度，溫度以及可用的有機(jī)物和營養(yǎng)素類型。

西班牙阿爾卡拉大學(xué)的Abraham Esteve-Núñez教授說：“我們小組根據(jù)有機(jī)廢物來源和市場需求，操縱這些條件，將紫色細(xì)菌的新陳代謝調(diào)整到不同的應(yīng)用中。”

“但我們的方法的獨(dú)特之處在于使用外部電流來優(yōu)化紫色細(xì)菌的生產(chǎn)能力。”

這種被稱為“生物電化學(xué)系統(tǒng)”的概念起作用，因?yàn)樽仙?xì)菌中的多種代謝途徑通過共同的貨幣連接起來：電子。例如，需要電子供應(yīng)來捕獲光能，而將氮轉(zhuǎn)化為氨會釋放多余的電子，這些電子必須被消散。通過優(yōu)化細(xì)菌內(nèi)的電子流動，通過正電極和負(fù)電極提供的電流(如在電池中)可以限定這些過程并最大化合成速率。

最大的生物燃料，最小的碳足跡

在他們的最新研究中，該小組分析了通過紫色光養(yǎng)細(xì)菌物種的混合物使氫產(chǎn)生最大化的最佳條件。他們還測試了負(fù)電流的影響，即由生長介質(zhì)中的金屬電極提供的電子對細(xì)菌的代謝行為的影響。

他們的第一個重要發(fā)現(xiàn)是，產(chǎn)氫量最高的營養(yǎng)混合物也使二氧化碳的產(chǎn)量最小化。

Esteve-Núñez 表示，“這表明紫色細(xì)菌可用于從廢水中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)物中回收有價值的生物燃料 - 蘋果酸和谷氨酸鈉 - 碳足跡低。”

更引人注目的是使用電極的結(jié)果，這首次證明了紫色細(xì)菌能夠利用來自負(fù)電極或“陰極”的電子通過光合作用捕獲CO2。

“來自我們的生物電化學(xué)系統(tǒng)的記錄顯示紫色細(xì)菌和電極之間存在明顯的相互作用：電極的負(fù)極化引起可檢測的電子消耗，與二氧化碳產(chǎn)生的減少相關(guān)。

“這表明紫色細(xì)菌利用陰極中的電子通過光合作用從有機(jī)化合物中捕獲更多的碳，因此二氧化碳的釋放量較少。”

走向用于制氫的生物電化學(xué)系統(tǒng)

這組作者說，這是第一次報道在生物電化學(xué)系統(tǒng)中使用紫色細(xì)菌的混合培養(yǎng)物 - 以及由于與陰極相互作用而導(dǎo)致的任何光生物轉(zhuǎn)移代謝的首次證明。

捕獲紫色細(xì)菌產(chǎn)生的過量二氧化碳不僅可用于減少碳排放，還可用于從有機(jī)廢物中提煉沼氣用作燃料。

然而，普約爾承認(rèn)，該集團(tuán)的真正目標(biāo)還在于未來。

“該研究的最初目的之一是通過從陰極向紫色細(xì)菌代謝提供電子來增加生物氫產(chǎn)生。然而，似乎PPB 細(xì)菌更喜歡使用這些電子來固定CO2而不是產(chǎn)生H2。

“我們最近獲得了通過進(jìn)一步研究來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的資金，并將在接下來的幾年中繼續(xù)努力。繼續(xù)關(guān)注更多的新陳代謝調(diào)整。”