不用去礦坑湖底尋找,科學家發現腸道細菌就能有效產電

作者 | 發布日期 2018 年 09 月 18 日 19:00 | 分類 生物科技 , 能源科技 , 自然科學 follow us in feedly

過去科學家已在礦坑、湖底發現能夠發電的細菌,但最近加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)科學家發現,我們或許正好就錯過了近在眼前的來源:人類的腸道。



柏克萊加大團隊在研究中發現,常見引起腹瀉的李斯特菌(Listeria monocytogenes)能夠使用和已知產電菌完全不同的技術來產電,同時還有數百種類其他細菌能使用相同過程,而其中許多都是人體腸道微生物群的一份子。

除了李斯特菌外,會造成氣性壞疽的產氣莢膜梭菌(Cl.perfringens)、容易在醫院院內感染的糞腸球菌(Enterococcus faecalis)、一些致病的鏈球菌和乳酸桿菌(Lactobacillus)都會產生電。

柏克萊加大分子和細胞生物學、微生物學教授 Dan Portnoy 表示,無論是做為病原體、益生菌,還是我們體內的微生物群或參與發酵產品的製作過程,許多細菌都具有產電性,而我們顯然錯過了這個事實。

除了可以讓人們更了解這些細菌如何感染、或幫助我們擁有健康的腸道,對於那些試圖製造微生物電池的人來說,這項發現也是個非常好消息,因為這樣的技術讓未來使用廢物處理廠中的細菌來發電變的可能。

就像我們呼吸氧氣的原因一樣,細菌產生電力也是為了去除新陳代謝過程中產生的電子並協助能量產生。在動物和植物的情況中,電子會傳遞至每個細胞線粒體內的氧氣,但對於處在低氧環境中的單細胞細菌來說,它們必須找到另一種方式來促進這種電子流動。

過去在酸性礦坑、湖床內發現的產電菌,會選擇使用像是鐵或錳的礦物質來進行有效「呼吸」,而在這些細胞將電子轉移時,由於礦物質位於細胞外部,內部將會使用微小電流傳導電子至礦物質,這也就是所謂的「細胞外電子傳遞鏈」。

而對被歸類為革蘭氏陽性菌的腸道微生物來說,儘管被剝奪氧氣,周遭還是存在一種電子受體能夠讓它們達成電子傳遞,而這種電子受體便是維生素 B2 的衍生物黃素(flavin)。

論文第一作者、博士後研究員 Sam Light 認為,這些細菌的細胞結構和富含維生素的生態位,讓它們將電子從細胞中轉移出來變得更加容易也更具成本效益。

「我們認為傳統研究中用礦物質呼吸的細菌是為了生存使用細胞外電子傳遞,而這些新發現的細菌使用這項技術,則只是因為『很簡單』。」

為了了解該系統的穩健性,Light 與伯克利國家實驗室(LBNL)Caroline Ajo-Franklin 合作,探索了活微生物和無機材料之間的相互作用,以便在碳捕獲、封存以及生物太陽能發電中應用。

透過用電極測量,團隊檢測到高達 500 微安從細菌流出的電流,證實這項過程確實是電生成的。實際上,它們產生的電量與已知的產電菌一樣多,每個細胞每秒約能產生 10 萬個電子。

Light 特別對乳酸菌(Lactobacillus)存在這種系統感到有興趣,因為乳酸菌對起司、酸奶和酸菜的製造都至關重要。所以他認為或許,電子傳遞也在起司和酸菜的味道中扮演重要角色。

「人們沒有意識到這是細菌生理學中的重要部分,而這是潛在可能被操縱的。」

Light 和 Portnoy 有更多問題,關於這些細菌如何、又為什麼開發出如此獨特的系統。這項研究已經在《自然》(Nature)期刊上刊載。

(首圖來源:UC Berkeley/Amy Cao