利用細菌製燃料 「人工樹葉」比植物更強

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有科學家利用化學反應及基改細菌,設計出一種「仿生葉」,能利用光源、水及二氧化碳去生產燃料。

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人為造成的氣候變化對環境帶來極大破壞,例如溫室效應使天氣越來越炎熱,全球溫度不斷上升。要降低二氧化碳等溫室氣體的排放量,其中一個方法是減少使用煤炭、石油等化石燃料,轉用低排放甚至零排放的能源。

用光去製作燃料

目前可再生能源仍在發展階段,雖然有不少地方大力推動及改用水力、太陽能及風力等發電方式,但受儲電技術及天氣限制,暫未能完全取代舊有能源。

化學家Daniel Nocera就嘗試探索如何設計出模仿光合作用的系統,用光去製作燃料,可儲存起來有需要才燃燒。2009年他利用磷酸鈷(Cobalt phosphate)作為催化劑,以太陽能從水(H2O)中分離出氫氣。

不過氫燃料並不流行,因此他去到哈佛大學後,跟該校的生物化學專家Pamela Silver合作,設計可以製作其他燃料的系統。

化學反應+基改細菌=仿生葉

2014年他們的團隊結合了上述系統及微生物,製造了仿生葉(bionic leaf)。光伏系統比細菌或植物的光合作用更加有效把陽光轉換成電能,但後者的強項在於合成新的分子。

仿生葉就集合雙方的強項,先利用太陽能從水中分離出氫分子,再交給一種基改細菌處理,結合二氧化碳去製造燃料異丙醇(isopropanol)。

不過,這個過程當中會製造太多活性氧類分子,對細菌有害。提高電壓可以解決這個問題,但又會減低系統的效率。

改良設計,提升效率

Nocera的團隊花了8個月的時間,以不同的化學物做實驗,最終找到鈷磷合金作為催化劑,可以做到相同工作又不會產生活性氧類分子。在新系統中,細菌生長得更好,研究人員亦能使用較低電壓,增加轉化效率。

據估計,這個系統——仿生葉2.0——在純二氧化碳的環境下,轉換光能的效率約為10%,比起原本仿生葉的1%要高出10倍。而在普通空氣之中,系統的效率則在3%至4%左右。

仿生葉2.0的好處在於,它無須種植大量農作物去製作生物燃料——使用過多農地、缺乏效率等是對生物燃料的常見批評。

計劃帶到發展中國家

Silver講述其研究時表示︰「生物學美麗之處,在於它是世界上最偉大的化學家——生物能進行我們無法輕易複製的化學反應。」

Nocera認為,仿生葉2.0標誌着他們能夠製作出「人工樹葉」,利用太陽能製造能源。他表示︰「假如你認真去想,光合作用非常神奇——它只需要陽光、空氣和水,然後看看一棵樹(的生長)。那就是我們做到的事,而且做得更好,因為我們把所有能量轉成燃料。」

他更認為,可以透過改造細菌,以類似方式生產其他化學物質,例如合成肥料。目前化學肥料的生產方式會污染環境,這將減低人類對環境的破壞。研究團隊已經利用細菌合成出一種分子,最終可以轉化成塑膠。

當然,現時這個系統在商業上仍未能跟化石燃料競爭,不過團隊認為現時仿生葉2.0已可作商業用途。Nocera計劃把此技術帶到發展中國家,為這些地區提供廉價的潔淨能源。

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