家庭污水和工業(yè)廢水中的有機(jī)化合物是動(dòng)物飼料的豐富潛在能源，生物塑料甚至蛋白質(zhì) - 但由于沒(méi)有有效的提取方法，處理廠將其作為污染物丟棄。現(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，紫外光養(yǎng)細(xì)菌 - 可以儲(chǔ)存光能 - 當(dāng)提供電流時(shí)，可以從任何類型的有機(jī)廢物中回收接近100%的碳，而產(chǎn)生氫氣用于發(fā)電。
“目前污水處理廠最重要的問(wèn)題之一是高碳排放，”共同作者，西班牙國(guó)王胡安卡洛斯大學(xué)的Daniel Puyol博士說(shuō)。“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(shù)葉中退縮時(shí)，它會(huì)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 - 以及各種有機(jī)體。
提示紫色光養(yǎng)細(xì)菌。它們使用各種顏料從陽(yáng)光中捕獲能量，這些顏料會(huì)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(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)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CO 2和H 2 O - 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(zhǎng)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(lái)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(yíng)養(yǎng)素類型。
西班牙阿爾卡拉大學(xué)的Abraham Esteve-Núñez教授說(shuō)：“我們小組根據(jù)有機(jī)廢物來(lái)源和市場(chǎng)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(lái)優(yōu)化紫色細(xì)菌的生產(chǎn)能力。”
這個(gè)概念被稱為“生物電化學(xué)系統(tǒng)”，因?yàn)樽仙?xì)菌中的多種代謝途徑通過(guò)共同的貨幣：電子連接起作用。例如，需要電子供應(yīng)來(lái)捕獲光能，而將氮轉(zhuǎn)化為氨會(huì)釋放多余的電子，這些電子必須被消散。通過(guò)優(yōu)化細(xì)菌內(nèi)的電子流動(dòng)，通過(guò)正極和負(fù)極提供的電流(如電池中)可以限制這些過(guò)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(guò)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(cè)試了負(fù)電流 - 即生長(zhǎng)介質(zhì)中金屬電極提供的電子 - 對(duì)細(xì)菌代謝行為的影響。
他們的第一密鑰的發(fā)現(xiàn)是，該進(jìn)料氫氣生產(chǎn)率最高的養(yǎng)分混合物也被最小化CO的產(chǎn)生2。
Esteve-Núñez表示，“這表明紫色細(xì)菌可用于從廢水中常見(jiàn)的有機(jī)物中回收有價(jià)值的生物燃料 - 蘋(píng)果酸和谷氨酸鈉 - 碳足跡低。”
更令人驚訝的是使用電極的結(jié)果，這首次證明了紫色細(xì)菌能夠利用來(lái)自負(fù)電極或“陰極”的電子通過(guò)光合作用捕獲CO 2。
“來(lái)自我們的生物電化學(xué)系統(tǒng)的記錄顯示紫色細(xì)菌和電極之間有明顯的相互作用：電極的負(fù)極化引起可檢測(cè)的電子消耗，與二氧化碳產(chǎn)生的減少相關(guān)。
“這表明紫細(xì)菌用來(lái)自陰極的電子捕獲來(lái)自通過(guò)光合作用有機(jī)化合物更多的碳，所以較少被釋放CO 2 ”。
走向用于制氫的生物電化學(xué)系統(tǒng)
這組作者說(shuō)，這是第一次報(bào)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 - 這是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。
捕獲由紫色細(xì)菌產(chǎn)生的過(guò)量CO 2不僅可用于減少碳排放，而且可用于從有機(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(lái)。
“該研究的最初目的之一是通過(guò)從陰極向紫色細(xì)菌代謝提供電子來(lái)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(lái)固定CO 2而不是產(chǎn)生H 2。
“我們最近獲得了通過(guò)進(jìn)一步研究來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的資金，并將在接下來(lái)的幾年中繼續(xù)努力。繼續(xù)關(guān)注更多的代謝調(diào)整。