在火星或地球上,Biohybrid可以将CO2转为有用的新有机产品

杂交纳米线/细菌反应器

一种从空气中捕获二氧化碳并将其转化为有用的有机产品的装置。左侧是含有纳米线/细菌杂种的腔室,其减少二氧化碳以形成乙酸盐。在右边是产生氧气的腔室。信贷:乌克基伯克利照片由Peidong Yang

纳米线上的细菌将阳光,二氧化碳和水转化为有机积木。

如果人类希望殖民火星,定居者需要在全球范围内生产各种有机化合物,从燃料到药物,从地球上运送太昂贵。

加州大学,伯克利,劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)化学家有一个计划。

在过去的八年中,研究人员一直在致杂交系统,组合细菌和纳米线,可以捕获阳光的能量,将二氧化碳和水转化为有机分子的构建块。纳米线是薄的硅电线约为1百次人发的宽度,用作电子元件,以及传感器和太阳能电池。

“在火星上,大约96%的大气是有限公司2。Basically, all you need is these silicon semiconductor nanowires to take in the solar energy and pass it on to these bugs to do the chemistry for you,” said project leader Peidong Yang, professor of chemistry and the S. K. and Angela Chan Distinguished Chair in Energy at UC Berkeley. “For a deep space mission, you care about the payload weight, and biological systems have the advantage that they self-reproduce: You don’t need to send a lot. That’s why our biohybrid version is highly attractive.”

除阳光下,唯一的其他要求是水,在火星上,在火星上相对丰富,在极地冰帽上,杨先生的大部分地球上的可能是在地球上的冻结地下的可能性,他是伯克利实验室和Kavli总监的高级教师科学家能源纳米科学研究所。

生物冬小化还可以从地球上的空气中拉出二氧化碳,使有机化合物同时解决气候变化,这是由过量的人类生产的CO引起的2在大气中。

在2020年3月31日发布的新文件中,在学报焦耳,研究人员报告了包装这些细菌的里程碑(Sporomusa ovata.)进入“纳米线的森林”以实现记录效率:将3.6%的进入太阳能转化并储存在碳键中,以称为醋酸乙酸的两种碳分子:基本上乙酸或醋。

醋酸盐分子可以用作一系列有机分子的构建块,从燃料和塑料到药物。许多其他有机产品可以由醋酸甲酸酯内部制成,例如细菌或酵母。

该系统与光合作用一样,其天然植物将二氧化碳和水转化为碳化合物,大多是糖和碳水化合物。然而,植物的效率相当低,通常将少于半百分之一度的太阳能转化为碳化合物。杨的系统与最佳转换有限公司的工厂相当2糖:甘蔗,效率为4-5%。

杨也在努力从阳光和合作中有效生产糖和碳水化合物2,可能为火星殖民者提供食物。

纳米线森林中的细菌

在最佳酸度或pH下运行的纳米线细菌杂种的扫描电子显微照片,或对纳米线紧紧地包装细菌。关闭包装可以更有效地将太阳能转换为碳键。秤杆是1/100毫米,或10微米。信用:培刚阳的UC伯克利图像

观看博士

当杨和他的同事们首先在五年前展示了纳米线细菌混合反应器,太阳能转换效率仅为0.4% - 与植物相当,而仍然低于转换光的硅太阳能电池板20%或更多的典型效率相比电力。大约15年前,杨是第一个将纳米线变成太阳能电池板的首批之一。

研究人员最初试图通过将更多细菌包装到纳米线上,将电能直接转移到细菌中,以提高效率。但细菌与纳米线分开,断开电路。

研究人员最终发现了虫子,因为它们产生醋酸盐,降低了周围水的酸度 - 即增加了称为pH的测量,并使它们从纳米线中脱离。他和他的学生最终发现了一种方法来保持水稍微酸化,以抵消连续醋酸盐的产量上升的效果。这使得它们可以将更多的细菌包装到纳米线森林中,升高效率几乎达到10倍。它们能够操作反应器,平行纳米线的森林,一周没有细菌剥离。

在该特定实验中,纳米线仅用为导线,而不是太阳能吸收剂。外部太阳能电池板提供了能量。

然而,在真实世界的系统中,纳米线将吸收光,产生电子并将它们运送到纳米线上的细菌上。细菌采用电子,类似于植物制造糖的方式,将两个二氧化碳分子和水转化为醋酸盐和氧气。

“这些硅纳米线基本上是天线:它们就像太阳能电池板一样捕获太阳能光子,”杨说。“在这些硅纳米线中,它们会产生电子并将它们送入这些细菌。然后细菌吸收有限公司2,做化学并吐出醋酸yabovip2021盐。“

氧气是一个副作用,在火星上,可以补充殖民者的人工大气,这将模仿地球的21%的氧气环境。

杨以其他方式调整了该系统 - 例如,将量子点嵌入细菌的自身膜中,该膜充当太阳能电池板,吸收阳光并避免对硅纳米线的需求。这些肉纤维细菌也制造醋酸。

他的实验室继续寻找能够提高生物次育的效率,并且还在探索基因工程的技术,使它们更通用,能够产生各种有机化合物。

参考:“高效太阳能驱动的CO的”紧密纳米线 - 细菌混合动力“2固定“由Yude Su,Stefano Cestellos-Blanco,Ji Min Kim,Yue-Xiao Shen,Qiao Kong,Dylan Lu,Chong Liu,Hao Zhang,Yuhong Cao和Peidong Yang,3月31日,焦耳
DOI:10.1016 / J.Joule.2020.03.001

该研究得到了补助金的支持美国宇航局致空间(立方体)利用生物工程的中心,是一种多大学的努力,为空间生物制造技术开发技术。

本文的UC Berkeley共同作者是当前或前研究生Yude Su,Stefano Cestellos-Blanco和Ji Min Kim,他们同样地贡献了这项工作;和研究生Yue-Xiao Shen,乔孔,迪伦陆,冲柳,郝张和玉宏曹。

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