支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
這裡有一種利用陽光製造燃料的新方法：讓微生物幾乎餓死，然後藉助太陽能電池板產生的電壓，用二氧化碳和氫氣餵養它們。一種新開發的生物反應器利用光伏電路中連線的特殊催化劑分解水產生的氫氣來餵養微生物。研究人員現在聲稱，這種類似電池的系統在將陽光轉化為燃料和其他有用的分子方面，可能勝過純生物或純技術系統。
波士頓諮詢集團的 Joseph Torella 說：“我們認為我們可以做得比植物更好。” 他協助領導了 2 月 9 日發表在《美國國家科學院院刊》上的這項研究。
這個過程始於 2009 年，當時哈佛大學的化學家 Daniel Nocera 開發了廉價的水分解催化劑。這些鈷磷酸鹽催化劑利用電力從普通水中製取氫氣。但氫氣作為替代燃料尚未普及。因此，當 Nocera 來到哈佛大學時，他與哈佛醫學院的生物化學家 Pamela Silver、她當時的 graduate student Torella 和其他人合作，構建了一個可以製造更有用燃料的混合系統。
透過將機器和微生物配對，這種新型“仿生葉”兼具了兩者的最佳特性。與細菌或植物的光合作用相比，光伏可以將更多的入射陽光轉化為電流，而且新型催化劑可以分解普通水，甚至是來自波士頓查爾斯河的髒水。但是，微生物，無論是光合微生物還是其他微生物，都擅長將入射能量轉化為有用的分子，無論是食物、燃料甚至是藥品。因此，Torella 和團隊的其他成員將光伏水分解晶片與Ralstonia eutropha（一種土壤細菌）配對，這種細菌可以利用分解出的氫氣為在罐子中用碳構建分子提供動力。研究小組使用基因工程改造的 R. eutropha 變種，製造出了異丙醇 (C3H8O)，這是一種酒精分子，可以用作像乙醇或汽油一樣的燃料，並且可以很容易地用鹽從水中分離出來。
仿生葉每升水可以泵出 216 毫克異丙醇，其效率與玉米植物利用陽光製造富含澱粉的籽粒的效率不相上下。關鍵是使用經過特殊調整的 R. eutropha ，並將它們放入裝滿無營養液體以及氫氣和溶解的二氧化碳的密封罐中。在罐子之間進行幾次轉移，加上劇烈的攪拌和時間，導致 R. eutropha 從正常生長轉變為恐慌模式，誘導微生物直接以氫氣為食。然後將由此產生的菌落放入裝有水分解器和連線到光伏陣列的不鏽鋼電極的罐子中以提供電流，幾天延遲後，新的仿生葉開始生長並吐出異丙醇。
這不是 R. eutropha 首次被用於利用太陽能發電製造燃料，但這項新研究首次將這種獨特的微生物與水分解、電力驅動的化學物質放在同一個腔室中，而不是將生物與非生物分離，以防止非生物化學物質殺死生物。這項新研究也預示著電燃料（使用電力製造的液體燃料）夢想的工程進展，電燃料是能源高階研究計劃署 (ARPA–E) 於 2008 年至 2012 年期間實施的一項創新計劃，該計劃幫助啟發了這項研究。
這個想法是逆轉燃燒，並像植物一樣，利用化石燃料燃燒的廢料——二氧化碳——來製造燃料。Torella 說：“石油和天然氣不是燃料、塑膠、肥料或用它們生產的無數其他化學品的可持續來源。石油和天然氣之後，下一個最佳答案是生物學，從全球數字來看，生物學每年透過光合作用產生的碳是人類從石油中消耗的碳的 100 倍。”
經過改進後，仿生葉可以在任何有陽光和二氧化碳的地方生產燃料、藥品或其他有用的分子。Silver 說：“想象一下，可以在一杯水中建立一個系統來生產新的和有用的化學物質。效率將是我們仿生葉的首要目標。”
這種改進可能以突變體 R. eutropha 的形式出現，這種突變體可能更擅長這項工作，或者更能耐受惡劣的條件，這可能有助於生產更多的燃料。或者，完全不同的微生物可能更容易將大部分二氧化碳轉移到有用的分子中。或者，相反，可以調整電極材料，以最大限度地減少或消除它們對微生物提出的挑戰。
使仿生葉發揮最佳作用的關鍵是在高電壓下執行，這有助於 R. eutropha 細胞茁壯成長，同時還能產生大量所需的分子。但是，低電壓可以額外生產所需的分子，但缺點是會透過電極處不必要的反應產生的有毒氧氣副產品殺死細胞。氧氣也對光合作用中的生命構成挑戰，這可能最終意味著仿生葉會被非生物化學超越。普林斯頓大學的化學家 Andrew Bocarsly 問道：“如果我們提取氫氣，並使其與[一氧化碳]或二氧化碳本身發生熱反應會怎樣？” 他曾研究過可以將二氧化碳轉化為燃料的電化學電池。使用熱量從這種合成氣中構建分子已經在工業中得到應用，因此“現在的能源效率如何比較？我不知道答案。”
無論哪種方法獲勝，逆轉燃燒都有助於解決全球變暖問題。事實上，仿生葉的最終產品不一定是異丙醇，原則上可以是許多不同的碳基分子，甚至可能在將來成為更常見的碳氫化合物，即石油或天然氣。Silver 在談到仿生葉時指出：“經過改造以產生異丙醇的途徑是碳通量巨大的途徑。從理論上講，可以製造其他燃料分子。”