微生物所創(chuàng)建出新一代生物光伏系統(tǒng)
?具有定向電子流的雙菌生物光伏卡通示意圖
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發(fā)展和利用可再生能源是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。作為地球上最豐富的可再生能源，太陽能利用的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究具有重大的科學(xué)和現(xiàn)實意義。
光伏發(fā)電是太陽能利用的主要形式，其技術(shù)核心是利用半導(dǎo)體材料將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。隨著能量轉(zhuǎn)化效率的不斷提升和制造成本的不斷降低，全球太陽能光伏裝機容量累計已超過500 GW。但是，部分光伏材料含有毒元素，廢棄太陽能電池板總量大且難以回收，且光伏器件制造過程涉及有毒有害化學(xué)品的使用。隨著太陽能光伏的不斷推廣使用，其對環(huán)境的潛在負(fù)面沖擊不可忽視。
生物光伏（biophotovoltaics, BPV）為太陽能利用提供了一條生物學(xué)路徑。生物光伏利用光合微生物（如藍(lán)藻）作為光電轉(zhuǎn)換材料，具有碳中性、良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點，有望成為環(huán)境更加友好的新一代太陽能發(fā)電技術(shù)。
然而，當(dāng)前BPV系統(tǒng)的輸出功率很低，比太陽能光伏低3個數(shù)量級以上。其主要原因是藍(lán)藻等光合微生物雖然具有很高的光合效率，但產(chǎn)電活性很弱。在直接改造藍(lán)藻以強化其產(chǎn)電活性方面，目前尚未有成功的報道。
為了提高BPV光電轉(zhuǎn)化效率，中國科學(xué)院微生物研究所李寅研究組另辟蹊徑，設(shè)計并創(chuàng)建了一個具有定向電子流的合成微生物組，來解決藍(lán)藻直接產(chǎn)電活性微弱的問題。
該合成微生物組由一個能夠?qū)⒐饽軆Υ嬖赿-乳酸的工程藍(lán)藻和一個能夠高效利用d-乳酸產(chǎn)電的希瓦氏菌組成。在這個合成微生物組中，d-乳酸是兩種微生物間的能量載體。藍(lán)藻吸收光能并固定CO2來合成能量載體d-乳酸，希瓦氏菌氧化d-乳酸進行產(chǎn)電，由此形成一條從光子到d-乳酸再到電能的定向電子流，完成從光能到化學(xué)能再到電能的能量轉(zhuǎn)化過程。
通過在遺傳、環(huán)境和裝置層面的設(shè)計、改造和優(yōu)化，研究人員有效克服了兩種微生物之間生理不相容的問題。由此創(chuàng)建的雙菌生物光伏系統(tǒng)實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的功率輸出，其最大功率密度達到150 mW/m2，比目前的單菌生物光伏系統(tǒng)普遍提高10倍以上。采用連續(xù)流加培養(yǎng)方式，該雙菌生物光伏系統(tǒng)可穩(wěn)定實現(xiàn)長達40天以上的功率輸出，且平均功率密度達到135 mW/m2的較高水平，在產(chǎn)電時長、單裝置輸出功率兩方面均達到了目前BPV系統(tǒng)的最高水平。
這是國際上利用具有定向電子流的合成微生物組創(chuàng)建生物光伏的首例報道，也是我國第一臺生物光伏原型裝置。該研究證明了利用具有定向電子流的合成微生物組可以顯著提高BPV光電轉(zhuǎn)化效率，打破了人們對生物光伏效率和壽命難以提高的固有認(rèn)識，為進一步提升BPV光電轉(zhuǎn)化效率奠定了重要基礎(chǔ)。
該研究于9月19日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》（Nature Communications），題為Development of a longevous two-species biophotovoltaics with constrained electron flow（DOI: 10.1038/s41467-019-12190-w）。微生物所博士研究生朱華偉為論文第一作者，研究員李寅和張延平為共同通訊作者。該研究得到中科院重點部署項目和國家自然科學(xué)基金的資助。
注：本文轉(zhuǎn)載自中國科學(xué)院微生物研究所。
