微生物如何在制造甲烷中获得电力

斯坦福大学科学家已经解决了一个关于甲烷的长期谜团,独特的微生物,将电力和二氧化碳转化为甲烷。

在一项新的研究中,斯坦福团队首次演示了甲烷酮的首次从固体表面获得电子。发现可以帮助科学家设计微生物的电极“factories”可持续生产甲烷气体和其他化合物。

“有几个假设可以解释电子如何从电极进入甲基细胞,”Stanford Postdoctoral ScholarJörgDeutzmann,Lead作者的研究。“我们是第一个识别实际机制的小组。”

该研究发表于目前的期刊问题 MBIO..

“整体目标是创建大型生物反应器,其中微生物将大气二氧化碳转化为从太阳能,风或核电的清洁电力,进入可再生燃料和其他有价值的化学物质,”该学习与斯坦福大学的化学工程教授和民间与环境工程学习合作。“既然我们了解甲烷代理如何占用电力,我们可以重新设计传统电极以更快地将更多的电子传递给更多的微生物。”

该研究还提供了对微生物影响腐蚀的新见解,这是一种威胁由钢铁制成的结构长期稳定性的生物过程。

“生物腐蚀是一个重要的全球问题,” Spormann said. “这一过程造成的年度经济损失估计在10亿美元的价格。”

来自微生物的甲烷

甲烷是加热,运输,烹饪和发电的重要燃料。大多数甲烷来自天然气,从井中提取了丰富的化石燃料。然而,燃烧的天然气发射二氧化碳,这加速了全球变暖。

Methanogens提供了有希望的替代品。这些单细胞生物类似于细菌,但属于致古代的基因不同的结构域。

众所周知,沉积物和污水处理厂,甲烷酮在二氧化碳气体和电子上茁壮成长。这种原始膳食的副产物是纯甲烷气体,微生物排出空气。

研究人员正试图开发大型生物反应器,其中数十亿甲烷酮在时钟周围释放甲烷。这些微生物菌落将从大气中加入二氧化碳并从电极清洁电力。

整个过程将是碳中性的,Spormann解释。“当微生物甲烷被燃烧为燃料时,二氧化碳被再循环回到它起源的大气中,” he said. “另一方面,天然气燃烧,释放碳的碳覆盖在地下的数百万年。”

电子吸收

Deutzmann说,在工业规模上生产微生物甲烷将需要提高效率的重大改进。

“现在这个过程中的主要瓶颈是如何弄清楚如何从电极进入微生物细胞,” he said. “为此,您首先要知道电子吸收如何在甲烷中使用。然后您可以工程师并提高电子传输速率并增加甲烷生产。”

本质上,甲烷酮在有机物质或细菌发酵的崩溃期间从氢和其他分子中获取电子。

“这些小分子是微生物的食物,” Deutzmann said. “它们与电子提供甲烷,以代谢二氧化碳并产生甲烷。”

在Spormann Lab,甲烷中唐’不得不担心食物。通过电极通过低压电流连续供应电子。那些电子如何进入甲基细胞是科学辩论的主题。

“领先的假设是许多微生物,包括甲烷,直接从电极上占用电子,” Deutzmann said. “但在先前的一项研究中,我们发现微生物酶和其他分子也可能发挥作用。从工程角度来看,如果您必须设计电极以适应大型微生物细胞与酶,则会产生差异。您可以将更多的酶粘在电极上,因为酶较小。”

用酶进行实验

对于实验,斯坦福大学队使用了一种叫做的甲烷酮 Methanococcus maripludis.。文化 M. Maripaludis. 在配备有石墨电极的烧瓶中生长,这提供了稳定的电子供应。微生物也含有二氧化碳气体。

如预期的那样,在烧瓶内部形成的甲烷气体,清楚地表明甲烷酮占用电子和代谢二氧化碳。但研究人员还检测到氢气的积聚。这些分子是氢穿梭电子给甲烷酮,如本质上发生?

要找出来,斯坦福大学队使用基因工程菌株重复实验 M. Maripaludis.。这些突变体甲酸乙酯从它们的DNA中删除了六个基因,因此它们不能再产生酶氢酶,微生物需要制备氢气。虽然突变体在与正常甲烷中相同的条件下生长,但它们的甲烷产量显着降低。

“当培养物中不存在氢酶时,甲烷生产暴跌10倍,” Spormann said. “这是一种强烈的指示,氢生产酶显着参与电子吸收。”

没有甲基细胞的进一步测试证实,氢酶和其他酶直接从电极表面上占用电子。如广泛假设的,微生物细胞本身不涉及转移。

“事实证明,各种酶都只是在培养基中漂浮,” Deutzmann said. “这些酶可以连接到电极表面并产生小分子,如氢,然后将电子喂养给微生物。”

正常的甲基细胞产生多种酶。 Deutzmann说,搅拌,饥饿和其他生物因子可以使细胞破裂,将酶释放到培养基中。

生物腐蚀

“既然我们知道某些酶占用电子,我们可以将它们更好地工作,并搜索其他酶,甚至更快,” he added. “另一个好处是我们不再需要设计大的多孔电极以适应整个甲基细胞。”

斯坦福团队还发现甲烷酶在生物腐蚀中起着类似的作用。研究人员发现铁转移电子颗粒直接氢化酶。酶使用这些电子制备氢分子,氢分子又被甲酸消耗。根据科学家们,从环境中消除氢酶可能会减缓腐蚀速度。

“起初我们对这些结果感到惊讶,因为一旦它们在细胞外,就被认为酶很快地降解,” Spormann said. “但我们的研究表明,附着在电极表面的游离酶可以保持活性为一个月或两个月。了解为什么他们稳定的时间稳定可能导致对减少腐蚀和缩放微生物甲烷和其他可持续化学品生产的新见解。”



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