高堆積密度的產氫藻類細胞液滴的電子顯微鏡影像

科學家們打造了當在空氣中暴露於日光時,能夠製造氫氣而不是氧氣的以微小液滴為基部的微生物工廠。此研究最近發表於科學期刊《自然通訊》(Nature Communications),由來自英國布里斯托爾大學(University of Bristol)及中國哈爾濱工業大學(Harbin Institute of Technology)的國際研究團隊所發現。

從產氧變產氫

通常,藻類細胞會固定住二氧化碳,並藉由光合作用產生氧氣。此研究使用了充滿活藻類細胞的含糖液滴,藉由光合作用來生產氫氣而不是氧氣。

氫氣是一種潛在地對氣候中性的燃料,作為未來的能源來源而提供了許多可能的使用方式。但是,一個主要的缺點在於製造氫氣必須使用很多能量,因此研究人員在尋找綠色的替代方案,而此發現可能可以提供向前邁進的重要一步。

包括了來自布里斯托爾大學化學學院的史蒂芬·曼教授(Stephen Mann)和李梅博士、以及來自哈爾濱工業大學的黃欣教授和其同事的團隊將大約一萬個藻類細胞困於每顆液滴之中,這些液滴之後藉著滲透壓的擠壓而擠在一起。藉由將細胞深埋於液滴之中,氧氣濃度會降到一個能開啟一種稱作氫化酶(hydrogenases)的特殊酶的水平,而此種酶會攔截正常的光合作用路徑以產生氫氣。如此一來,大小僅有 0.1 毫米的大約一百萬個微生物工廠的 1/4 可以經製備於一毫升的水中。

為了增加氫氣產生的水平,該研究團隊還在活體微反應器上鍍覆了一層薄薄的細菌外殼,這些細菌能夠覓食氧氣,因此增加了能夠加快氫化酶活性的藻類細胞數量。

未來發展

雖然研究仍然處於早期階段,但該研究仍提供了在自然的有氧環境下,往光生物學綠能發展前進的一步。曼教授說到:「使用簡單的液滴作為導引,來控制藻類細胞組織及在合成的微生物空間中的光合作用,這提供了一個可能對環境良好的氫氣生產方法,而這是我們希望在未來研究中所發展的。」

哈爾濱工業大學的黃教授補充到:「我們的方法很簡單,且應該能夠將規模放大而不會妨礙到活細胞的可行性。此方法似乎也很有彈性;舉例來說,我們最近在液滴中捕捉到大量的酵母菌細胞,並使用了微生物反應器來進行乙醇的生產。」

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參考資料:

  1. University of Bristol, (2020, November 25). Research creates hydrogen-producing living droplets, paving way for alternative future energy source. Phys.Org
  2. Xu, Z. et al., (2020, November 25). Photosynthetic hydrogen production by droplet-based microbial micro-reactors under aerobic conditions. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-020-19823-5
  3. 圖片來源:https://phys.org/news/2020-11-hydrogen-producing-droplets-paving-alternative-future.html(圖:Prof Xin Huang, Harbin Institute of Technology)
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