在火星或地球上,生物混合能将二氧化碳转化为有用的新型有机产品

时间:2020-04-15 23:39 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

在火星或地球上,生物混合能将二氧化碳转化为有用的新型有机产品

纳米线上的细菌将阳光、二氧化碳和水转化为有机建筑材料。

如果人类希望在火星上开拓殖民地,他们需要在火星上制造大量的有机化合物,从燃料到药物,这些有机化合物太贵了,无法从地球上运输。

加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的化学家对此有一个计划。

在过去的8年里,研究人员一直致力于一种混合系统的研究,该系统将细菌和纳米线结合在一起,可以捕捉阳光的能量,将二氧化碳和水转化为有机分子的基本成分。纳米线是一种很细的硅线,只有人类头发的百分之一那么宽,用作电子元件,也用作传感器和太阳能电池。

在火星上,96%的大气是二氧化碳。基本上,你所需要的就是这些硅半导体纳米线来吸收太阳能,并将其传递给这些细菌来为你进行化学反应。项目负责人杨沛东(音译)说,他是加州大学伯克利分校化学系教授、s.k.和安吉拉·陈杰出能源讲座教授。对于深空任务,你关心的是有效载荷的重量,而生物系统有自我繁殖的优势:你不需要发射很多东西。这就是为什么我们的生物混合版本非常吸引人的原因。

除了阳光,唯一的其他需求是水,在火星上,水在极地冰盖中相对丰富,很可能冻结在地球大部分地区的地下,杨说。他是伯克利实验室的资深科学家,也是卡弗里能源纳米科学研究所(Kavli Energy Nanoscience Institute)的主任。

这种生物混合动力汽车还可以从地球大气中吸收二氧化碳,制造有机化合物,同时应对气候变化。气候变化是由大气中人为产生的过量二氧化碳造成的。

在一篇于2020年3月31日发表在《焦耳》杂志上的新论文中,研究人员报告了将这些细菌(卵孢菌属)包装成纳米材料森林的里程碑。为了达到创纪录的效率:3.6%的太阳能被转换并储存在碳键中,以一种叫做醋酸盐的双碳分子的形式:本质上是醋酸,或者醋。

从燃料、塑料到药物,醋酸盐分子可以作为一系列有机分子的组成部分。许多其他的有机产品可以由转基因生物体内的醋酸盐制成,比如细菌或酵母。

这个系统的工作原理类似于光合作用,植物自然地利用它将二氧化碳和水转化成碳化合物,主要是糖和碳水化合物。然而,工厂的效率相当低,通常将不到0.5%的太阳能转化为碳化合物。杨公司的系统可与最能将二氧化碳转化为糖的甘蔗工厂相媲美,甘蔗的效率为4-5%。

杨还在研究利用阳光和二氧化碳高效生产糖类和碳水化合物的系统,这有可能为火星殖民者提供食物。

在火星或地球上,生物混合能将二氧化碳转化为有用的新型有机产品

看pH值

五年前,当杨和他的同事首次展示他们的纳米线-细菌混合反应器时,太阳能转换效率只有0.4%左右;太阳能板的效率一般为20%或更多,但与之相比仍然很低,因为硅太阳能板可以将光能转化为电能。大约15年前,杨是最早将纳米线转化为太阳能电池板的人之一。

研究人员最初试图通过在纳米线上填充更多的细菌来提高效率,纳米线直接将电子传递给细菌进行化学反应。但是细菌从纳米线中分离出来,破坏了电路。

研究人员最终发现,这些细菌在产生醋酸的过程中降低了周围水的酸度。也就是说,增加了一种叫做pH值的测量值;让它们从纳米线中分离出来。他和他的学生们最终找到了一种方法,让水的酸度稍微高一些,以抵消持续产生醋酸所导致的pH值上升的影响。这使得他们能够将更多的细菌塞进纳米线森林,将效率提高了近10倍。他们能够在没有细菌剥落的情况下,操作这个由平行纳米线组成的反应堆一个星期。

在这个特别的实验中,纳米线只被用作导电导线,而不是太阳能吸收器。外部的太阳能板提供了能量。

然而,在真实世界的系统中,纳米线会吸收光线,产生电子,并将它们输送到粘在纳米线上的细菌。细菌吸收电子,就像植物制造糖一样,把两个二氧化碳分子和水转化成醋酸盐和氧气。

这些硅纳米线本质上就像一个天线:它们像太阳能电池板一样捕捉太阳能光子。杨说。在这些硅纳米线中,它们会产生电子并将其提供给这些细菌。然后细菌吸收二氧化碳,进行化学反应,吐出醋酸盐。

氧气是一个附带好处,在火星上,可以补充殖民地居民;人造大气,模拟地球21%的氧气环境。

杨还在其他方面对体制进行了调整。例如,在细菌自身的薄膜中嵌入量子点,作为太阳能电池板,吸收阳光并消除对硅纳米线的需求。这些电子细菌也能制造醋酸。

他的实验室继续寻找提高生物杂交效率的方法,同时也在探索基因工程技术,使细菌更多才多艺,能够产生多种有机化合物。

参考文献:紧密结合的纳米线-细菌混合材料,用于高效的太阳能驱动的二氧化碳固定;苏玉德、斯蒂法诺·切斯特洛斯-布兰科、金纪敏、沈跃晓、孔乔、鲁迪伦、刘冲、张浩、曹玉红和杨沛东,2020年3月31日,焦耳。

DOI: 10.1016 / j.joule.2020.03.001

这项研究得到了美国国家航空航天局(NASA)向太空生物工程利用中心(Center for The Utilization of Biological Engineering in Space,简称CUBES)提供的一笔拨款的支持,这是一项由多所大学参与的旨在开发太空生物制造技术的努力。

这篇论文的共同作者是苏玉德(Yude Su)、斯蒂法诺?切斯特洛斯-布兰科(Stefano Cestellos-Blanco)和金纪敏(Ji Min Kim),他们现在或以前都是研究生。研究生沈跃晓、孔乔、鲁迪伦、刘冲、张浩、曹玉红。

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