总结：科学家解决了长久以来困惑人们的关于甲烷的秘密，即微生物能将电能和二氧化碳转化为甲烷。该发现也将有助于科学家为微生物工厂设计电极，以便于生产甲烷气体或其他化合物。

来源： Mark Shwartz, Precourt Institute for Energy, Stanford University

       来自斯坦福大学的科学家解决了长久以来困惑人们的关于甲烷的秘密，即微生物能将电能和二氧化碳转化为甲烷。在一份新的研究报告中，斯坦福大学的团队第一次表明了甲烷如何从固体表面获得能量，该发现也将有助于科学家为微生物工厂设计电极，以便于生产甲烷气体或其他化合物。“关于如何将电极中的电子转移到甲烷晶胞中，这里有几种假设。”JörgDeutzmann说。“我们是第一个证实该机理的团队。”该研究发表在《分子生物技术》杂志上。

      “我们的整体目标是创造大量的生物反应器，在这里微生物能将大气中的二氧化碳和太阳能、风能、核能等可再生能源进行转化。”Alfred Spormann说。“现在我们已经理解了甲烷获得电能的方式，因此我们可以能通过传统电极传递更多能量，从而使微生物可以更快地工作。”该研究也会对生物腐蚀产生影响，可以让科学家有一个全新的认识。“生物腐蚀是一个全球性问题，”Spormann说。“每年因此而产生的经济损失大约为10亿美元。”

来自于微生物的甲烷

       甲烷是一种非常重要的能源，可用于加热、运输、烹饪以及产生电能等。目前大多数甲烷来自于天然气。然而燃烧天然气会释放二氧化碳，这会加速全球变暖。相比之下，甲烷菌是一个不错的选择。这种单细胞有机体类似细菌，但属于不同类别，称为古细菌。甲烷菌以二氧化碳和电能为食，其产物为纯净的甲烷气体。研究人员正视图开发大型反应器用于生产甲烷，这些微生物可以以大气中的二氧化碳和电极提供的电能为食。整个过程将会是碳平衡过程。“当微生物产生的甲烷被燃烧以后，二氧化碳会进入大气，从而进入下一个循环。”Spormann说。“天然气燃烧的是埋藏在地底下上百万年的碳。”

电子摄入

       为了在工业规模上生产甲烷，电能应该是最需要注意的，Deutzmann说。“目前最重要的瓶颈是如何通过电极获得更多的电能。为了实现这一点，首先你必须知道甲烷菌如何摄入电子，然后你就可以提高电子转移速率，从而增加甲烷产量。”甲烷需要来自于氢气或者其他分子的电子，这些电子是有机材料或细菌发酵过程中产生的。“这些小分子是微生物的食物，他们可以消耗电能和二氧化碳来获得甲烷。”Deutzmann说。在实验室中，甲烷菌并不用担心食物来源，电能通过电极源源不断地运送，而电能如何被这些微生物摄取则是科学界争论的焦点。“主要的假设是，许多微生物，包括甲烷菌，直接从电极获得电子。但是在之前的研究中，我们发现微生物酶和其它分子也会产生相同的效果。从工程师的角度看，如果你要设计一个电极来适应大多数微生物细胞与酶，这的确不容易。”

用酶做实验

      在该实验中，斯坦福大学的团队采用了一种叫做ethanococcusmaripaludis的甲烷菌。通过石墨电极供电可提供稳定的电力，而微生物同样以二氧化碳为食。不出所料，烧瓶中产生了甲烷气体，表明甲烷菌可以消耗电能和二氧化碳。但是研究人员同时也检测了氢气，氢的电子会转移到甲烷分子上吗？为了弄清楚这一点，该团队通过使用M. maripaludis霉来重复了这个实验。这些甲烷菌有六种基因被删除了，使得它们不能产生氢化酶。虽然它们和正常的甲烷菌在同样的环境中生长，但是甲烷产量明显下降了。“当没有氢化酶的时候，甲烷产量大大下降，这说明产生甲烷的过程涉及到大量的与氢气有关的电子转移过程。”进一步的测试表明，没有甲烷菌的情况下，氢化酶和其他酶会直接从电极获得电子。这表明微生物本身并不会参与转移过程。“这些酶能附着在电极表面，产生微小分子，例如氢气等，这些氢气可以被微生物利用。”Deutzmann说。普通的甲烷菌会产生大量的酶，通过搅拌等方式可以将这些生物酶释放到环境中，Deutzmann说。

生物腐蚀

       “现在我们已经知道了确定的酶会摄入电子，我们可以控制它们，使得它们可以更有效率；同时我们也可以寻找其他的酶，以便更快速地完成这样的过程。”他说。“另一个好处是，我们不必设计多孔电极来满足甲烷菌了。”斯坦福团队进一步发现，甲烷菌酶在生物腐蚀过程中扮演着相似的角色。铁会直接将电子传递给氢化酶，酶则会利用这些电子来制备氢分子，而这些氢分子又会被甲烷菌消耗掉。较少环境中的氢化酶可以降低腐蚀的速率。“一开始我们也被这样的结果震惊了，因为一旦酶出现在细胞外面则退化非常快，但是我们的研究表明自由酶附着在电极表面一个月甚至两个月仍然具有活性。了解清楚它们存在的原因可以对减少腐蚀有很强的指导意义，同时可以提高微生物甲烷及其他化学产品的产量。”