【能源与环境】 | Energy & Environment
生辉Agri Tech，北京，2022-09-13
生物光伏（biophotovoltaics, BPV）为太阳能利用提供了一条生物学路径。它使用含氧光自养生物（如蓝藻）或其部分来收集光能并产生电力。光合作用不仅利用了太阳能，还具有负碳足迹，同时解决了太阳能转换和二氧化碳封存两个问题。BPV 有望成为环境更加友好的新一代太阳能发电技术。
尽管蓝藻等光合微生物具有很高的光合效率，但产电活性很弱，BPV 系统的输出功率目前仍然很低。
近日，瑞士洛桑联邦理工学院基础科学学院的一组研究人员在这一领域取得一项突破——成功将人造纳米材料与生物结构（蓝藻活细胞）连接，由此产生的“纳米生物”技术结合了生物和非生物的优势，有望提高 BPV 的发电性能。
这一成果以“Carbon nanotube uptake in cyanobacteria for near-infrared imaging and enhanced bioelectricity generation in living photovoltaics”一文发表在 Nature Nanotechnology 期刊。
“将纳米管放入细菌中，表面上看起来并不是很令人兴奋，但这实际上是一件大事。”该文通讯作者、洛桑联邦理工学院化学科学与工程学院教授 Ardemis Boghossian 说。虽然还有很长的路要走，但 Ardemis Boghossian 正在展望细菌发电的潜在未来：“研究人员一直在将纳米管放入哺乳动物细胞中，这些细胞具有内吞作用等机制。但细菌没有这些机制，并且在让颗粒通过其坚硬的外部时面临着额外的挑战。尽管存在这些障碍，我们还是设法做到了这一点，这在应用方面非常令人兴奋。”
多年来，Boghossian 团队一直致力于单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs，以下简称“纳米管”）的纳米材料应用，SWCNT由一层以圆柱形排列的单层石墨组成，具有其他纳米管所不具备的某些机械和光学性质。
这些特性使该纳米管成为纳米生物技术领域许多新应用的理想选择。例如，它已被放置在哺乳动物细胞内，以使用近红外成像监测其新陈代谢。在哺乳动物细胞中插入纳米管也导致了将治疗药物递送到其细胞内靶标的新技术；而在植物细胞中，它们已被用于基因组编辑。纳米管也被植入活体小鼠体内，以证明它们能够对体内深处的生物组织进行成像。
在该研究中，Boghossian 的团队及其国际同事能够通过用带正电荷的蛋白质（这些蛋白质被细菌外膜的负电荷所吸引）“装饰”细菌来“说服”细菌自发地吸收纳米管。
△ 蓝藻门细菌的形态多样性（图源：维基百科）
该研究利用了两种蓝藻门的细菌，分别为 Synechocystis 和 Nostoc, 作为革兰氏阴性菌，其细胞壁很薄，具有革兰氏阳性细菌所缺乏的外膜。研究人员观察到，蓝藻通过被动、长度依赖性和选择性过程“吸收”了纳米管。该过程允许纳米管自发地穿透 Synechocystis 和 Nostoc 细胞壁。有趣的是，纳米管植入蓝藻后，当细胞分裂时，纳米管会留在子代细胞。
在此之后，研究小组想看看纳米管是否可以用来成像蓝藻——就像在哺乳动物细胞中发挥的作用一样。“我们首创了一个定制设备，能够对细菌内部的纳米管获得的特殊近红外荧光进行成像。”Boghossian 说。
实验证明，细菌内部的纳米管可以被清楚地看到，即使细菌本身也同时发光。这是因为，纳米管发射的为近红外线，该信号清晰而稳定，是目前任何其他纳米颗粒传感器都无法媲美的。通过使用纳米管就可观察细胞内部发生了什么，这令研究人员很兴奋。因为这些细胞难以使用传统的颗粒或蛋白质成像；而纳米管发出的光是天然生命物质所不具备的，遂使其脱颖而出。
实现了对细菌的实时监测后，研究人员通过跟踪细胞的生长和分裂发现，纳米管可由细菌分裂后形成的子细胞共享。“当细菌分裂时，子细胞继承了纳米管以及纳米管的性质。”Boghossian 说，“我们称之为’遗传纳米生物’。这像一个假肢，赋予细胞超出自然限度的能力。我们不仅将此赋予了细菌，而且也被它们的后代遗传。这是我们对遗传纳米生物的首次演示。”
另一个有趣的现象是，当纳米管置于细菌内部时，细菌在被光照亮时产生的电量显着增强。因此，该实验室正致力于将这些纳米生物细菌用于生物光伏发电。
Boghossian 设想了一种基于蓝藻的 BPV 设备，该设备可以自动控制不依赖于添加异物颗粒的电力生产。“在实施方面，现在的瓶颈是大规模将纳米管放入蓝藻体内的成本和环境影响。”Boghossian 和她的团队正在为扩大规模寻求合成生物学的解决方案。
“我们的实验室现在正致力于生物工程蓝藻，这种蓝藻可以在不需要纳米颗粒添加剂的情况下发电。合成生物学的进步使我们能够重新编程这些细胞。我们可以对它们进行工程设计，使发电这一功能存在于它们的 DNA 中。”
参考资料：
1.https://www.labiotech.eu/trends-news/biotech-photosynthetic-cyanobacteria-nanobionics/
2.https://doi.org/10.1038/s41565-022-01198-x
3.https://www.epfl.ch/labs/lnb/boghossian/
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编辑：Wind
