微生物燃料电池中微生物的作用

利用电鳗发电似乎是天方夜谭，但利用微生物发电并不是什么新鲜事。

早在1910年，英国科学家马克·比特就发现微生物培养液可以产生电流，并成功制造了世界上第一块微生物电池。1962年，美国科学家福斯勒带领一个团队开发了一种以微生物为电池的无线电发射机。

随着合成生物学技术的应用，对产电微生物的研究变得更加工程化。2018年，中国科技部发布的“合成生物学”重点项目也将“电能电池的设计与构建”列为重点研究项目。

微生物电池也被很多学者认为是最有潜力的新型电池之一。1产电微生物

事实上，在生物体内，“电”无时无刻不在产生。细胞的有氧呼吸涉及到电子的传递，微生物发电的原理与之类似。

产电微生物可以代谢有机底物，将电子转移到胞内NAD+和FAD，生成NADH和FADH2，或者储存在丙酮酸、甲酸等中间代谢产物中，共同形成产电微生物的胞内可释放电子池。

然后在一系列酶的催化下，中间代谢产物被收集到位于细胞内膜的醌池中，再由甲基萘醌脱氢酶释放，从而实现细胞内电子的产生，最后通过细胞外电子传递系统传递给细胞外电子受体[1]。

产电微生物广泛分布于自然界。随着微生物筛选技术的进步，更多的产电微生物逐渐被发现。

它的一个优点是自身产生的电能可以用来加速生物反应。以污水处理为例，微生物可以利用污水中的有机物产生电子。理论上，如果用电极连接，它们可以在水中形成电流回路。当电流强度达到一定值时，它们可以通过电解水来处理污水，形成良性循环。

这一特性是以产电微生物为主体的生物智能合成和生物电催化的核心，为绿色可持续生产新能源或大量精细化学品提供了新思路。

然而，与合成生物学的所有底盘细胞一样，野生型产电微生物具有明显的劣势，如可利用底物谱窄、底物摄取和代谢强度弱、细胞内电子池容量小、细胞外电子转移速率慢等。

这些都是合成生物学家正在解决的问题。

这些是合成生物学家正在解决的问题。

2解密电子摄取基因电路

当电产生时，它将被储存。今年8月，来自辛辛那提大学生物科学系的AnnetteR Rowe团队和来自康奈尔大学生物与环境工程系的Buz Barstow团队在《通信生物学》上发表了一篇论文，提出了一种利用细菌进行电子摄取的基因回路。

巴斯托介绍，“奥氏链霉菌(S. oneidensis)是一种广泛应用的模式产电微生物，越来越多的研究表明，它可以逆转其胞外电子传递途径，吸收氧化反应产生的电子，从而形成带电储能，就像整个细胞都带电一样。”

这项研究的目的是找出细菌摄取电子的特定基因回路。为此，研究小组首先敲除了细菌基因组中约99%的非必需基因(约3667个基因)，然后进行细胞电子摄取实验，筛选与能量储存相关的基因。

团队还专门建立了比色筛选法。简单来说，就是以一种失去电子而变色的物质为底物，通过颜色的变化来判断细胞是否摄取了电子。

最后，研究小组筛选出5个与电子摄取相关的基因，发现这些基因在希瓦氏菌属物种的基因组中高度保守。

对于这种基因线的应用，巴斯托说，他正在设计一种可以将有机分子转化为生物燃料的细菌。目前有两种思路:一种是将上述五种基因转入现有的工程菌中，提高生物反应的转化效率；第二，以单性链球菌为底盘细胞，利用电极将二氧化碳转化为甲酸等物质。

微生物要多久才能取代现有的电池？巴斯托说，“如果我们得到资助，可能只需要五年就能实现。”

合成生物手段加速了产电微生物的转化。虽然目前的研究还停留在微生物层面，但或许有一天，电鳗经过改造后可以成为稳定的电源。人体稍加改造，或许每个人都能成为“闪人”。(摘自深度科技)(编辑/唐珂)