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在火星或地球上，生物混合物可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品
2020-05-24 12:33上一篇：沒有了 |下一篇：科學(xué)家在患有脊髓損傷和視神經(jīng)損傷的小鼠中再生神經(jīng)元
如果人類曾經(jīng)希望在火星上殖民，定居者將需要在飛機(jī)上制造從燃料到毒品的各種有機(jī)化合物，這些化合物太昂貴了，無法從地球上運(yùn)送。
加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）的化學(xué)家對此有一個(gè)計(jì)劃。
平心在線. 在過去的八年中，研究人員一直在研究一種結(jié)合細(xì)菌和納米線的混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以捕獲陽光能量，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)單元。納米線是一根細(xì)的硅線，大約是人類頭發(fā)寬度的一百分之一，被用作電子元件，還被用作傳感器和太陽能電池。
“在火星上，大氣中約有96％是CO 2。基本上，您所需要的就是這些硅半導(dǎo)體納米線吸收太陽能并將其傳遞給這些臭蟲，以便為您進(jìn)行化學(xué)處理，”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人楊培東說。 ，化學(xué)教授，加州大學(xué)伯克利分校的SK教授和安吉拉·陳（Angela Chan）能源杰出主席。“對于深空任務(wù)，您關(guān)心的是有效載荷的重量，生物系統(tǒng)具有自我復(fù)制的優(yōu)勢：您無需發(fā)送太多信號。這就是我們的生物混合動(dòng)力版極具吸引力的原因。”
伯克利實(shí)驗(yàn)室高級研究員兼Kavli主任Yang表示，除陽光外，唯一的其他要求是水，在火星上極地冰蓋中水相對豐富，很可能位于地球大部分區(qū)域的地下。能源納米科學(xué)研究所。
生物混合物還可以從地球上的空氣中吸收二氧化碳，以制造有機(jī)化合物，并同時(shí)應(yīng)對氣候變化，這是由大氣中人為產(chǎn)生的過量CO 2引起的。
在3月31日發(fā)表在Joule雜志上的一篇新論文中，研究人員報(bào)告了將這些細(xì)菌（Sporomusa ovata）包裝入“納米線森林”以達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄效率的里程碑：3.6％的傳入太陽能被轉(zhuǎn)換并存儲在碳鍵中的碳原子以稱為乙酸鹽的兩碳分子形式存在：本質(zhì)上是乙酸或醋。
乙酸酯分子可以用作從燃料，塑料到藥物等各種有機(jī)分子的基礎(chǔ)。許多其他有機(jī)產(chǎn)品可能是由轉(zhuǎn)基因生物體內(nèi)的醋酸鹽制成的，例如細(xì)菌或酵母菌。
該系統(tǒng)的工作方式類似于光合作用，植物自然利用它來將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳化合物，主要是糖和碳水化合物。然而，植物的效率相當(dāng)?shù)停ǔ⒉坏揭话氲奶柲苻D(zhuǎn)化為碳化合物。Yang的系統(tǒng)可媲美將CO 2最佳轉(zhuǎn)化為糖的植物：甘蔗，效率為4-5％。
Yang還在研究有效利用陽光和CO 2生產(chǎn)糖和碳水化合物的系統(tǒng)，有可能為火星殖民者提供食物。
觀察pH值
Yang和他的同事在5年前首次展示其納米線-細(xì)菌混合反應(yīng)堆時(shí)，其太陽能轉(zhuǎn)換效率僅為約0.4％，與工廠相當(dāng)，但與轉(zhuǎn)換太陽能電池板的典型效率為20％或更高相比，仍然較低光到電。大約15年前，Yang是最早將納米線轉(zhuǎn)變?yōu)樘柲茈姵匕宓娜酥弧?/font>
研究人員最初試圖通過將更多細(xì)菌堆積到納米線上來提高效率，這些納米線將電子直接轉(zhuǎn)移到細(xì)菌進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。但是細(xì)菌與納米線分離，破壞了電路。
研究人員最終發(fā)現(xiàn)，這些臭蟲在產(chǎn)生乙酸鹽時(shí)降低了周圍水的酸度-即增加了稱為pH的測量值-并使它們與納米線分離。他和他的學(xué)生們最終找到了一種方法，使水保持更酸性，以抵消連續(xù)不斷產(chǎn)生乙酸鹽導(dǎo)致pH升高的影響。這使他們可以將更多的細(xì)菌包裝到納米線森林中，將效率提高近10倍。他們能夠在平行的納米線森林中運(yùn)行反應(yīng)器一周，而不會剝離細(xì)菌。
在此特定實(shí)驗(yàn)中，納米線僅用作導(dǎo)線，不用作太陽能吸收器。外部太陽能電池板提供了能量。
但是，在現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)中，納米線將吸收光，生成電子并將其傳輸?shù)綀F(tuán)聚在納米線上的細(xì)菌。細(xì)菌吸收電子，并且類似于植物制造糖的方式，將兩個(gè)二氧化碳分子和水轉(zhuǎn)化為乙酸鹽和氧氣。
楊說：“這些硅納米線本質(zhì)上就像是天線：它們像太陽能電池板一樣捕獲太陽光子。” “在這些硅納米線中，它們將產(chǎn)生電子并將它們喂給這些細(xì)菌。然后細(xì)菌吸收CO 2，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并吐出醋酸鹽。”
氧氣是一種附帶好處，在火星上，可以補(bǔ)充殖民者的人造大氣，這將模仿地球21％的氧氣環(huán)境。
Yang通過其他方式對系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整，例如，將量子點(diǎn)嵌入細(xì)菌自身的膜中，該膜充當(dāng)太陽能電池板，吸收陽光并消除了對硅納米線的需求。這些靠機(jī)械裝置維持生命的細(xì)菌也可以制造乙酸。
他的實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)尋找提高生物雜交效率的方法，并且還在探索對細(xì)菌進(jìn)行基因工程改造的技術(shù)，以使其具有更多用途并能夠產(chǎn)生多種有機(jī)化合物。
這項(xiàng)研究得到了美國國家航空航天局（NASA）對太空生物工程利用中心（CUBES）的資助，這是大學(xué)為開發(fā)太空生物制造技術(shù)而進(jìn)行的一項(xiàng)多方努力。
加州大學(xué)伯克利分校的論文的合著者是現(xiàn)任或前任研究生Yude Su，Stefano Cestellos-Blanco和Ji Min Kim，他們?yōu)檫@項(xiàng)工作做出了同樣的貢獻(xiàn)。研究生沉岳曉，孔巧，陸迪倫，劉沖，張浩和曹玉紅。
