【能源契機】結合細菌與晶片的仿生葉

■哈佛研究團隊結合太陽能電池(或稱太陽能晶片)與一隻名為Ralstonia eutropha的細菌去模擬葉片行光合作用,可以將光能以化學能的方式儲存起來,未來發展相當令人期待!

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結合細菌與晶片的液態能源產生系統。圖片來源:Science, Li et. al., 2012

撰文|葉綠舒

替代能源的發展,除了生質酒精、生質柴油外,其實也有許多研究團隊在研發如何將太陽能轉為可儲存的能源。畢竟,太陽能不需要如生質能源背負與人爭食或砍伐森林的罪名,只要天空沒有被雲籠罩,它就是取之不盡用之不竭。

過去,哈佛Nocera老師的研究團隊,曾經發表過以矽(Si)為原料的半導體電池,它可以在接受光能後,利用光能轉化的電能將水分解為氫氣(H2)與氧氣(O2)。雖然氫氣也可以用於燃料,但由於氫氣非常容易自燃(佔大氣4%以上即有自燃的風險)、運輸較液態能源(汽油、柴油、酒精)不便,加上目前的內燃機(引擎)都還是使用液態能源看來,雖然氫氣真的很環保(燃燒完就剩下水),但卻不大適合。

於是研究團隊開始尋找能把氫氣轉換成為液態能源的方式。這次,他們結合了加大洛杉磯分校的研究團隊。加大團隊將Ralstonia eutropha這隻菌做了一些修改,使它在養分不足(nutrient-limited)的狀況下將乙醯輔酶A(acetyl-CoA)用來產生異丙醇(isopropanol)。原本Ralstonia eutropha會將乙醯輔酶A合成PHB(polyhydroxybutyrate)儲存起來,但加大的研究團隊用生物工程的方法把中間的兩個酵素去掉,然後植入帶有另外四個基因的質體,使細菌不再能夠合成PHG,卻有了合成異丙醇的能力。於是,當這隻菌在缺乏氮源的時候,只要提供給它氫氣與二氧化碳,它便開始產生異丙醇了。雖然二氧化碳要額外打進去,但以現在地球的狀況來說,二氧化碳多得很,不是正好可以用掉嗎?

但是光只是這樣還不行,這個系統還有一些需要調整的地方。由於使用電極來分解水,除了氫氣已外也會產生氧氣,而在通電的狀況下,不免會產生一些自由基妨礙細菌生長;另外是,電極若使用貴金屬白金或銦(indium),不僅這些金屬價格昂貴、不易取得,這些金屬在自然狀況下(別忘記,這個系統使用了細菌,所以所有的操作要盡量符合自然狀況)對水的電解力也不高(除非提高電壓,但如此一來又會產生更多自由基)。

研究團隊首先使用了磷酸鈷(CoPi)與鎳錳鋅/不鏽鋼的電極,解決了貴金屬與電解力不足的問題;但是自由基仍不免產生,於是研究團隊嘗試加入來自牛肝的過氧化氫酶(catalase)。在過氧化氫酶順利處理掉了自由基的問題後,整個系統的產能來到每公升培養液產出216毫克的異丙醇,若換算為太陽能-生質能轉換則來到3.2%,為目前所有地球上的系統中最高,連在生長季節的植物也只有1.4%-2.0%而已呢!由於異丙醇可以用於內燃機,容易儲存與運輸,所以這個改良可說是生質能源的大進步。

過去單純的使用太陽能發電,由於電能只能短時間儲存(電池),造成一定程度的浪費;如能有將光能轉換為化學能(如光合作用)的方法,便可以將光能儲存起來。過去許多轉換的方式,若不是儲存困難(氫氣),便是只能小量施作,無法擴大。現在哈佛開發的方法,可以將光能以化學能的方式儲存起來,又能擴大施作,產生的化學能還可直接用於內燃機。雖然異丙醇燃燒會產生二氧化碳,但這個方法所產製的異丙醇也是由二氧化碳而來,構成了一個完整的循環。真的非常令人期待呢!

參考文獻:
1. Hydrogen.
2. Han Li, Paul H. Opgenorth, David G. Wernick, Steve Rogers, Tung-Yun Wu, Wendy Higashide, Peter Malati, Yi-Xin Huo, Kwang Myung Cho, James C. Liao. 2012. Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols. Science. 335:1596
3. Joseph P. Torella, Christopher J. Gagliardi, Janice S. Chen, D. Kwabena Bediako, Brendan Colón, Jeffery C. Way, Pamela A. Silver, and Daniel G. Nocera. 2015. Efficient solar-to-fuels production from a hybrid microbial–water-splitting catalyst system. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. doi: 10.1073/pnas.1424872112

 

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