紫色细菌的电池将污水变成清洁能源

你今天在马桶上冲了一些有价值的东西。

家庭污水和工业废水中的有机化合物是动物饲料的丰富潜在能源，生物塑料甚至蛋白质 - 但由于没有有效的提取方法，处理厂将其作为污染物丢弃。现在研究人员已经找到了一种环保且具有成本效益的解决方案。

发表在能源研究前沿，他们的研究首次表明紫色光养细菌 - 它可以储存光能 - 当提供电流时，可以从任何类型的有机废物中回收接近100%的碳，同时产生氢用于发电的天然气。

“目前废水处理厂最重要的问题之一是高碳排放，”共同作者，西班牙国王胡安卡洛斯大学的Daniel Puyol博士说。“我们的基于光的生物精炼工艺可以提供一种从废水中获取绿色能源的方法，零碳足迹。”

紫色光合细菌

在光合作用方面，绿色猪群成为众人瞩目的焦点。但是，当叶绿素从秋天的树叶中退缩时，它会留下黄色，橙色和红色的表兄弟。事实上，光合色素有各种各样的颜色和各种生物。

提示紫色光养细菌。它们使用各种颜料从阳光中捕获能量，这些颜料会变成橙色，红色或棕色以及紫色。但它的新陈代谢的多功能性，而不是它们的颜色，这使它们对科学家来说如此有趣。

“紫色光养细菌因其高度多样化的新陈代谢而成为有机废物资源回收的理想工具，”普约尔解释道。

细菌可以使用有机分子和氮气 - 而不是CO2和H2O-为光合作用提供碳，电子和氮。这意味着它们比替代的光养细菌和藻类生长得更快，并且可以产生氢气，蛋白质或一种可生物降解的聚酯作为代谢的副产物。

用电来调节代谢产物

哪种代谢产物占主导地位取决于细菌的环境条件，如光照强度，温度以及可用的有机物和营养素类型。

西班牙阿尔卡拉大学的Abraham Esteve-Núñez教授说：“我们小组根据有机废物来源和市场需求，操纵这些条件，将紫色细菌的新陈代谢调整到不同的应用中。”

“但我们的方法的独特之处在于使用外部电流来优化紫色细菌的生产能力。”

这种被称为“生物电化学系统”的概念起作用，因为紫色细菌中的多种代谢途径通过共同的货币连接起来：电子。例如，需要电子供应来捕获光能，而将氮转化为氨会释放多余的电子，这些电子必须被消散。通过优化细菌内的电子流动，通过正电极和负电极提供的电流(如在电池中)可以限定这些过程并最大化合成速率。

最大的生物燃料，最小的碳足迹

在他们的最新研究中，该小组分析了通过紫色光养细菌物种的混合物使氢产生最大化的最佳条件。他们还测试了负电流的影响，即由生长介质中的金属电极提供的电子对细菌的代谢行为的影响。

他们的第一个重要发现是，产氢量最高的营养混合物也使二氧化碳的产量最小化。

Esteve-Núñez 表示，“这表明紫色细菌可用于从废水中发现的有机物中回收有价值的生物燃料 - 苹果酸和谷氨酸钠 - 碳足迹低。”

更引人注目的是使用电极的结果，这首次证明了紫色细菌能够利用来自负电极或“阴极”的电子通过光合作用捕获CO2。

“来自我们的生物电化学系统的记录显示紫色细菌和电极之间存在明显的相互作用：电极的负极化引起可检测的电子消耗，与二氧化碳产生的减少相关。

“这表明紫色细菌利用阴极中的电子通过光合作用从有机化合物中捕获更多的碳，因此二氧化碳的释放量较少。”

走向用于制氢的生物电化学系统

这组作者说，这是第一次报道在生物电化学系统中使用紫色细菌的混合培养物 - 以及由于与阴极相互作用而导致的任何光生物转移代谢的首次证明。

捕获紫色细菌产生的过量二氧化碳不仅可用于减少碳排放，还可用于从有机废物中提炼沼气用作燃料。

然而，普约尔承认，该集团的真正目标还在于未来。

“该研究的最初目的之一是通过从阴极向紫色细菌代谢提供电子来增加生物氢产生。然而，似乎PPB 细菌更喜欢使用这些电子来固定CO2而不是产生H2。

“我们最近获得了通过进一步研究来实现这一目标的资金，并将在接下来的几年中继续努力。继续关注更多的新陈代谢调整。”