【細菌妙用】產氫菌:未來新能源寵兒?

肥皂湖。圖片來源:wiki
肥皂湖。圖片來源:wiki

撰文|葉綠舒

人類不能少了能源。除了用來開車以外,能源最大的用途是發電。有了電,很多機械都可以運作,生產我們需要的各式各樣的物品。過去,隨著石油的存量漸漸減少,學界與業界開始找尋新的替代能源;而燃燒石化能源造成的溫室效應與空氣污染,更促使學界努力尋找新的「乾淨能源」。在眾多的「乾淨能源」中,氫氣(hydrogen)是相當被看好的一種;原因無他,氫氣燃燒後只會產生水,不會產生溫室氣體。只是,要如何大量的產生氫氣呢?

過去有研究團隊曾發明照光就可以分解水的晶片(參1),但是使用如陽光這類的能源有一個問題,就是沒有光時就沒有產出;而陽光來不來,完全要看老天爺的高興。如果要建立一個使用太陽能產生氫氣的工廠,如果該地區每年光照的時間不夠長,其實是不符成本的。譬如很多朋友在夏天來東部的時候,都會覺得東部的太陽好大,怎麼沒看到太陽能電廠呢?經筆者請教一些專家才知道,東部雖然夏天太陽大,但冬天是雨季;而且即使在夏天,下午兩點後陽光就被山脈擋住了,所以並不適合建太陽能發電廠,了不起自己家裝一台太陽能熱水器,洗澡燒熱水不要錢罷了。

最好的方法莫過於請微生物幫忙做工。從古代人們就懂得用酵母菌發酵製作麵包、用不同的微生物發酵製作各式各樣的古怪食物(有興趣可以參考TLC頻道的「古怪食物」)。到了現代,我們用微生物幫我們製造更多東西,包括DNA。

用微生物分解纖維素製作纖維酒精,在過去這些年一直都是很熱門的研究領域。但是植物的落葉、殘枝、斷木中所含的不只有單純的纖維素,還有木質素(lignin)。微生物無法分解木質素,因此我們必需先將木質素與纖維素分開。

目前最常用的是使用高壓蒸汽進行汽爆(steam explosion)來將木質素與纖維素分開;但這個方法需要使用大量的能源產生蒸汽,所以也不是那麼環保。相對較環保的是以鹼來處理,但是產物不但是鹼性的,鹽類濃度也相當高。這樣的產物,若不經過處理,一般的微生物是無法消受的--除非是嗜極生物(extremophile)。

在2012年,密蘇里大學(University of Missouri)的研究團隊,在華盛頓州的肥皂湖(Soap Lake)分離出了一隻產氫菌:Halanaerobium hydrogeninformans。這隻菌可以在百分之7.5的氯化鈉,以及pH11的鹼性環境下生活,分解葡萄糖、纖維二糖(β-葡萄糖的雙糖)、木糖、阿拉伯糖、甘露糖與半乳糖,產生醋酸、甲酸與氫氣(參2)。

Halanaerobium hydrogeninformans 的電子顯微鏡圖.(圖片來源:Frontiers in )microbiology
Halanaerobium hydrogeninformans 的電子顯微鏡圖.(圖片來源:Frontiers in )microbiology

由於它耐鹽、耐鹼,這意味著以鹼處理過的植物落葉、殘枝與斷木,不需要再進行處理就可以直接給它使用。為什麼這隻菌會這麼厲害呢?

原來,它的「誕生地」--肥皂湖,本身就位在一個富含礦物質的的區域。由於湖中的礦物質很多(含有鈉、重碳酸根、硫酸根、碳酸根、氯化物、鉀、氟化物、硝酸根、鈣、鎂等,參3)

肥皂湖。圖片來源:wiki
肥皂湖。圖片來源:wiki

這個湖因為它的礦物質,造成湖水不但摸起來滑滑的,也很容易產生泡沫(如上圖),所以被稱為肥皂湖。故老相傳,它的湖水有療癒的能力,因此傳說中,附近居住的印地安人相約,到了肥皂湖不可以打鬥,只能好好的進行療程。

由於這個湖的酸鹼度與木星的衛星相似,因此美國的國家科學委員會(National Science Foundation)曾在2002年撥出經費給大學,想要經由研究肥皂湖,了解其他星球是否有生命的可能性。看情形,這個研究並沒有開花結果;倒是密蘇里的研究團隊在這個湖裡找到許許多多的寶呢!

參考文獻:
1.Steven Y. Reece, Jonathan A. Hamel , Kimberly Sung, Thomas D. Jarvi, Arthur J. Esswein, Joep J. H. Pijpers, Daniel G. Nocera. 2011. Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts. Science DOI: 10.1126/science.1209816
2.Matthew B. Begemann, Melanie R. Mormile, Oliver C. Sitton, Judy D. Wall and Dwayne A. Elias. 2012. A streamlined strategy for biohydrogen production with Halanaerobium hydrogeniformans, an alkaliphilic bacterium. Frontiers in Microbiology. doi: 10.3389/fmicb.2012.00093
3.Soap Lake. Wikipedia.

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作者:葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授,科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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