擁有“人造樹葉”不愁缺能源細菌將太陽能轉化為液體燃料

　　采集陽光是植物十億多年前掌握的本領，利用太陽能，通過周圍的空氣和水進行光合作用養活自身。科學家還想出了如何利用太陽能發電，從光伏電池到后來用的燃料電池產生氫。但氫卻一直沒有被作為一種在世界范圍內實用的汽車燃料，或用于液體燃料發電。

　　據物理學家組織網近日報道，美國哈佛大學藝術與科學學院、哈佛醫學院和威斯生物工程研究所受樹葉的啟發，創造出一種利用細菌將太陽能轉化為液體燃料的“人造樹葉”系統，使用催化劑使陽光將水分解為氫氣和氧氣，設計一種細菌將二氧化碳加氫轉化為液體燃料異丙醇。該研究結果發表在美國《國家科學院學報》上。

　　這篇論文的資深作者、哈佛醫學院生物化學和系統生物學系的帕梅拉·希爾韋、埃利奧特·T和亞當斯教授稱這個系統為仿生葉，首肯了發明這種人造樹葉的哈佛大學教授帕特森·伍德和丹尼爾·諾塞拉的工作。

　　兩年前，諾塞拉在美國麻省理工學院化學系從事研究工作。他曾經指出，人造樹葉的想法來自化學家早些年的想象，終有一天會發現“植物們守護著的秘密”。諾塞拉說，最重要的秘密是水分解成氫氣和氧氣的過程。在人造樹葉兩面分別產生氫氣和氧氣的薄膜中間夾著日光收集器。將人工樹葉放入陽光照射下的水中，人造樹葉周圍會產生氣泡，釋放出的氫氣能用于為燃料電池產生電力。這些能自給自足的廉價供能單位，對需要電力的偏遠地區和發展中國家很有吸引力，但迄今為止的設計都依賴像鉑那樣昂貴的金屬和高成本的制造工藝上。

　　為了使這些設備得到更廣泛的應用，諾塞拉將用于產生氫氣的催化劑鉑用鎳鉬鋅合金替代。在葉子的另一面，有一層用鈷做的薄膜用來產生氧氣。諾塞拉指出，所有這些材料在地球上都十分豐富，不像稀有昂貴的金屬鉑、貴金屬氧化物和已經被其他人使用過的半導體材料。他說：“像人造樹葉這樣面向貧困地區的太陽能研究，為全球可持續能源發展的未來提供了最直接的路徑。”

　　不久后，諾塞拉從麻省理工學院來到哈佛大學，便和希爾韋開始合作。他們在“個性化的能源”或制造能源本地化的理念上達成一致，認為能源本地化將在發展中國家具有吸引力。這是相對于當前的能源系統，比如石油需集中生產，然后送到加油站的制造能源方式。

　　希爾韋說：“我們不想制造出一些超級復雜的系統，相反，正在尋找更為簡單易行的使用方式。”而這種人造葉取材廉價，催化劑也很容易獲得。

　　希爾韋表示：“所制作的這種催化劑和生物如細菌的生長條件極為適合和匹配。”在新的系統里，一旦仿生葉產生氧氣和氫氣，氫氣會被“喂”給一種真氧產堿桿菌。該細菌中的一種酶把氫還原成質子和電子，并將它們與二氧化碳結合復制更多的細胞。然后，研究人員采用新的方法制造出異丙醇。基于麻省理工學院微生物學和健康科學與技術教授安東尼·辛斯克之前的發現，這種新方法是這種細菌通過新陳代謝過程制造異丙醇。

　　威斯生物工程研究所核心教授組成員之一的西爾弗說：“現在新的研究證明了一個概念，你可以有辦法收集太陽能并將其存儲在液體燃料的形式中。新發現的這種強大催化劑將其實現了，我們本來想的是要用上幾種細菌與收集的太陽能才能對接完成此項任務。現在用一種細菌就可以完成，這真是一個完美匹配的組合。”

　　這篇論文的共同作者、在希爾韋實驗室從事生物系統的研究人員布倫丹說：“無機催化劑與生物接口的優點是你有了一個前所未有的平臺。從太陽能到化學產品是這篇論文的核心要點，到目前為止，我們一直在使用植物，但是現在正在開發前所未有的生物能力制造大量的化合物。”研究人員認為，同樣的原理可以用于生產藥物，如少量的維生素。

　　這個研究團隊的當務之急，是通過優化催化劑和細菌，提高仿生葉片轉換太陽能為生物質的能力。與自然界中將陽光轉化為生物質1%的光合作用效率相比，他們的目標是實現5%的效率。