只要改造一下细胞的结构, 就可让电能细胞微生物 '发电热情' 高涨, 效率倍增, 吞噬更多垃圾并将其变废为宝? 日前, 新一期《自然·通讯》杂志在线发表了天津大学化工学院宋浩教授团队的最新研究成果. 这一研究解开了微生物电化学领域的重要科学难题, 为提高电能微生物细胞的胞外电子传递效率, 推动电能细胞微生物 '变废为宝' 产业化应用提供了可行思路.
据介绍, 微生物电催化过程是电能细胞借助细胞充放电等与外界环境进行双向电子和能量交换过程, 其在能源, 环境, 化工, 军事等领域具有广泛应用前景. 这一过程可实现环境能源领域 '变废为宝' 应用, 比如促使有机废弃物降解和电能回收的微生物燃料电池, 用于处理畜牧业, 酿造业及食品加工业废水制氢的微生物电解池, 用于还原二氧化碳, 合成高附加值精细化学品的微生物电合成等.
以电能细胞为主导的微生物电催化系统 (微生物产电, 微生物电合成, 微生物非平衡电发酵等) , 作为一种新型绿色新能源生产方式正崭露头角. 目前, 细胞电子传递效率过低, 成为限制电能细胞微生物产业化应用的最大瓶颈. 如何利用电能细胞高效率发电, 成为科学家们迫不及待想要解决的难题. 宋浩团队采用合成生物学模块化工程改造细胞策略, 对希瓦氏菌进行了系统的代谢优化与重构, 改造了其遗传基因. '我们发现电能细胞内 '电子池' 的容量大小是限制胞外电子传递速率的关键因素. ' 宋浩将细胞的电子载体NAD+比作细胞内部 '电池' , 其容量大小直接影响细胞的产电效率. 实验还证明, 通过提高胞内电子载体NAD+总量, 强化底物消耗速率, 可显著提升细胞电子传递速率, 进而可刺激电能细胞微生物更加高效地 '投入工作' .
