就温室气体而言,甲烷是安静的恶棍这可能会悄悄地将我们拖入更深的气候危机。在我们的大气层中,至少效果提高25倍比二氧化碳更能捕获热量。
它的效率也不是很高——通过燃烧,天然气中只有不到一半的能量可以转化为电能。
为了从每一股甲烷中挤出更多的电子,荷兰的研究人员探索了一种相当非传统的发电站形式——需要显微镜才能看到。
“这对能源行业非常有用”,说拉德堡德大学微生物学家 Cornelia Welte。
“在目前的沼气装置中,甲烷是由微生物产生的,然后燃烧,驱动涡轮机发电。只有不到一半的沼气转化为电力,这是可实现的最大容量。我们想评估是否可以利用微生物可以做得更好。”
他们研究的重点是一种古细菌——一种类似细菌的微生物,以其在奇怪和恶劣的条件下生存的非凡能力而闻名,包括能够在缺氧的环境中分解甲烷。
这种特殊类型,称为厌氧甲烷氧化型(ANME)古细菌通过在一系列电化学反应中卸载电子、在细胞外使用某种金属或类金属、甚至将它们捐赠给环境中的其他物种来管理这种代谢技巧。
首次描述于 2006 年, ANME 属甲烷操作菌人们发现,在硝酸盐的帮助下,它们可以氧化甲烷,这使得它们在荷兰被化肥浸透的农业涵洞的潮湿沼泽中如鱼得水。
在微生物燃料电池中从这一过程中提取电子的尝试导致产生了微小的电压,但没有明确确认到底是哪些过程可能背后的转换。
如果这些古细菌想要成为吞噬甲烷的动力电池,它们确实需要以清晰、明确的方式产生电流。
为了让事情变得更困难,甲烷操作菌不是一种易于培养的微生物。
因此,韦尔特和她的研究人员同事们收集了他们所知的以这种吞噬甲烷的古细菌为主的微生物样本,并将它们培养在甲烷是唯一电子供体的缺氧环境中。
在这个群体附近,他们还放置了一个设置为零电压的金属阳极,有效地创建了一个准备产生电流的电化学电池。
“我们创造了一种具有两个端子的电池,其中一个是生物端子,另一个是化学端子,”说同样来自拉德堡德大学的微生物学家 Heleen Ouboter。
“我们在其中一个电极上培养细菌,细菌向电极捐赠甲烷转化产生的电子。”
在分析了甲烷转化为二氧化碳的过程并测量了高达每平方厘米 274 毫安的波动电流后,研究小组推断出略高于三分之一的电流可能直接归因于甲烷的分解。
就效率而言,甲烷中 31% 的能量已转化为电能,这在某种程度上可与某些发电站相媲美。
对这一过程进行更多修改可以创造出以沼气为动力的高效活电池,从每一点气体中榨出更多火花,并减少长距离管道输送甲烷的需要。这很重要,因为一些甲烷发电厂勉强维持 30% 左右的效率。
但乐观的是,我们应该找到方法摆脱对所有化石燃料的依赖。
不过,撇开技术应用不谈,更多地了解这种阴险的温室气体在我们的环境中分解的各种方式并不是一件坏事。
这项研究发表于微生物学前沿。