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一個全新(xin)的發現剛剛誕生了——空氣也能(neng)轉化(hua)為(wei)電能(neng)。

具體過程是一種(zhong)能(neng)將空氣(qi)(qi)轉(zhuan)化(hua)為能(neng)源的酶(mei)(mei)，可以將氫(qing)氣(qi)(qi)轉(zhuan)化(hua)為電流。而且這種(zhong)酶(mei)(mei)還是純天然，它(ta)甚至(zhi)可消耗低(di)于大(da)氣(qi)(qi)水(shui)平的氫(qing)氣(qi)(qi)，低(di)至(zhi)人類呼(hu)吸的空氣(qi)(qi)的0.00005%。

相比于用蟹殼(ke)和廢紙造電池(chi)，這種天然電池(chi)酶從空氣中獲取(qu)電能(neng)，無疑(yi)為能(neng)源(yuan)設備開辟了一個全(quan)新的思路。

澳(ao)大利亞墨爾本莫納什大學生(sheng)物醫學發(fa)現研究所教授ChrisGreening和(he)學生(sheng)AshleighKropp，發(fa)現了這種酶，并將成果發(fa)在了《Nature》雜志上。

這種酶非(fei)常高效(xiao)，一旦能(neng)夠落地商用(yong)，未來(lai)一些小型(xing)電(dian)子設備就可以直接由空氣驅動了。

01

天然電池酶

其實人們早就(jiu)知道，存在(zai)一種(zhong)能將微量(liang)氫(qing)轉(zhuan)化為(wei)能量(liang)的細菌，但(dan)這(zhe)些(xie)微生物一般存在(zai)于南極(ji)土壤、火山口或深海(hai)中(zhong)。

而且(qie)一直以來(lai)都搞不(bu)清楚這種生物是(shi)怎樣產生能量的，在本次研(yan)究中，澳大利亞研(yan)究小組解釋了原因。

他們在一種名叫“恥垢分(fen)枝(zhi)桿菌”的(de)土壤細菌中(zhong)，分(fen)解出一種耗(hao)氫酶（Huc），在先(xian)進技術的(de)加持下，研究組破(po)譯(yi)了氫轉化(hua)的(de)分(fen)子藍圖(tu)。也(ye)正是(shi)這種酶，可以利用空氣(qi)中(zhong)的(de)微量(liang)氫作為能(neng)量(liang)來(lai)源(yuan)，幫助細菌生(sheng)長和生(sheng)存。

Huc可視化

Huc酶非常高效，它與普通(tong)的化學(xue)催化劑不同，在(zai)反應過程中，Huc酶所消耗的氫(qing)氣甚至低于大氣水平。就算是在(zai)稀薄空氣中氫(qing)含量(liang)(liang)很(hen)少，也能(neng)產生能(neng)量(liang)(liang)。

在此(ci)之前，澳大(da)利(li)亞研(yan)究小組一直(zhi)沒找(zhao)到合適的方式來長時間存儲濃縮(suo)的酶，但好(hao)在Huc擁有極其穩定的結構。

就(jiu)在把(ba)它放在低于冰點(dian)和高達80攝氏(shi)度的環境中(zhong)，也不(bu)會限制其分子的能量產生(sheng)，只(zhi)要與空氣(qi)中(zhong)的微量氫氣(qi)相遇，Huc酶(mei)就(jiu)會產生(sheng)持續不(bu)斷的電流。

所以(yi)說，產生(sheng)電流的步驟非常簡單，僅需要兩步：

首先從土壤細菌中(zhong)分(fen)解出來Huc酶，然后(hou)讓Huc酶與空氣中(zhong)的氫氣發生(sheng)反應，產生(sheng)電流。

那么問題來了，Huc酶是如何(he)被(bei)選中的？

澳大(da)利亞(ya)小組通過分解(jie)恥垢分枝桿(gan)菌中氧化的(de)結(jie)構(gou)后發(fa)現，這(zhe)種細(xi)菌中擁有(you)2種氫化酶，分別是(shi)Huc和(he)Hhy，這(zhe)兩(liang)種酶都能將氫氣氧化至(zhi)亞(ya)大(da)氣壓水平。

他們通過(guo)低溫電(dian)子(zi)顯微鏡確定了(le)其原子(zi)結構(gou)和電(dian)通路，突破界限以產(chan)生迄今為止該方法報(bao)告的(de)解(jie)析度(du)最高的(de)酶結構(gou)。發現Huc是一種(zhong)高效的(de)不敏(min)感酶，可將大氣中的(de)氫(qing)氣氧化(hua)與呼吸電(dian)子(zi)載體甲萘醌進行氫(qing)化(hua)組合。

使(shi)用HucS亞基上的染色體編碼的Strep-tagII從(cong)恥垢(gou)分(fen)(fen)枝(zhi)桿(gan)菌中(zhong)分(fen)(fen)離出Huc，通(tong)過SDS-PAGE表明(ming)，Huc由對應于HucL（約58kDa）、HucS–2×Strep（約39kDa）和第三個(ge)未知(zhi)亞基（約18kDa）的三個(ge)蛋白(bai)質亞基組成。

Huc包含HucS、HucL、HucM

研究人員測試了(le)純化的Huc在環境(jing)空(kong)氣中(zhong)氧化3至100ppm的H2的能力，用硝基藍四氮唑(zuo)（NBT）作為電(dian)子接(jie)受體，Huc迅(xun)速(su)消耗(hao)H2，使其低于氣相色譜儀(yi)的檢(jian)測限（約(yue)40ppbv）。

Huc的(de)分離和純化

這意味著它能(neng)夠(gou)適應于氧化大氣中的H2，具(ju)有高(gao)親(qin)和力（Km=129nM）和低H2閾(yu)值（<；31pM），但周轉慢，表明(ming)該(gai)酶在低H2濃度下也(ye)是非常有效。

在(zai)(zai)特(te)殊顯微(wei)鏡(jing)下，Huc的分子形狀(zhuang)像四葉草，通過柄狀(zhuang)突起與膜囊泡相關(guan)聯。此外(wai)，他(ta)們在(zai)(zai)觀察中發現(xian)，Huc呈(cheng)紅棕色，在(zai)(zai)室(shi)溫下高度穩定，熔化溫度為78.3°C。

在與氫氣的(de)反應過程中(zhong)，Huc又表現(xian)了(le)“不穩定性(xing)”，其能(neng)夠在低于大(da)氣壓的(de)濃度下進(jin)行(xing)氫氣氧化，并且在很大(da)程度上對氧氣進(jin)行(xing)抑(yi)制(zhi)，也就是說，Huc天生就對氫氣極為敏(min)感，而氧氣剛好進(jin)入(ru)其活(huo)性(xing)瓶頸。

02

有(you)什么(me)實際價(jia)值？

其實早在之前，就已經有研究(jiu)發(fa)現(xian)，世界上存在多種多樣的(de)好氧細菌利用大(da)氣中的(de)H2作為(wei)生(sheng)長和生(sheng)存的(de)能量來源。

但大多(duo)數情況(kuang)下，這(zhe)些酶容(rong)易被O2可(ke)逆或不可(ke)逆地抑制。澳大利亞學者此次發現的(de)Huc酶，更加(jia)穩定，在特定情況(kuang)下，也(ye)具備(bei)一(yi)定的(de)商業價值。

目(mu)前常見的發(fa)電方(fang)式為水力發(fa)電和火力發(fa)電，也就是說，利用發(fa)電動力裝置將水能(neng)(neng)(neng)、化石燃料的熱能(neng)(neng)(neng)、核能(neng)(neng)(neng)以(yi)及太陽能(neng)(neng)(neng)、風(feng)能(neng)(neng)(neng)、地熱能(neng)(neng)(neng)、海洋能(neng)(neng)(neng)等轉化為電能(neng)(neng)(neng)。

大(da)多國家多以火力發(fa)電為(wei)主，其發(fa)電量(liang)在總發(fa)電中所(suo)占比重為(wei)70%以上。

比(bi)如日(ri)、德的(de)火電(dian)(dian)(dian)所占比(bi)重在60%以上；其(qi)中(zhong)挪威、瑞士的(de)水力發(fa)電(dian)(dian)(dian)量均占總發(fa)電(dian)(dian)(dian)量的(de)90%左右，加拿大超(chao)(chao)過70%，瑞典也超(chao)(chao)過60%；芬蘭和南斯拉夫則水電(dian)(dian)(dian)與火電(dian)(dian)(dian)各占一半；法國(guo)以核電(dian)(dian)(dian)為主，其(qi)發(fa)電(dian)(dian)(dian)量占總發(fa)電(dian)(dian)(dian)量的(de)70%以上。

在(zai)20世紀末多用化石燃料，但(dan)這些多屬(shu)于不可(ke)再(zai)生資源(yuan)，在(zai)社會不斷發展的過程中，電(dian)能使用越來(lai)(lai)越多，人們(men)也已多使用可(ke)再(zai)生資源(yuan)來(lai)(lai)發電(dian)。

找(zhao)到天(tian)然(ran)、可再生(sheng)資源來產生(sheng)電(dian)(dian)能，是(shi)一項可持續性(xing)開(kai)發(fa)的項目，不僅澳大利亞小組致力于(yu)開(kai)發(fa)天(tian)池電(dian)(dian)池，以色列理工學(xue)院，還找(zhao)到了從海藻中開(kai)發(fa)出(chu)電(dian)(dian)流(liu)(liu)的方式，也就是(shi)說，把海藻的光(guang)合(he)作用和(he)生(sheng)物(wu)光(guang)電(dian)(dian)化學(xue)電(dian)(dian)池結合(he)起(qi)來，在該技(ji)術產生(sheng)的電(dian)(dian)流(liu)(liu)竟然(ran)與標準(zhun)太陽(yang)能收集(ji)器技(ji)術獲得的電(dian)(dian)流(liu)(liu)相當。

不少(shao)科學家也(ye)在尋找“變廢(fei)為(wei)電(dian)”的好(hao)法子，充電(dian)速(su)度(du)增加4倍(bei)的硅電(dian)池，還(huan)有木頭電(dian)池、水果發電(dian)等，都是為(wei)了降低電(dian)池成(cheng)本(ben)，尋找更快速(su)的充電(dian)方式(shi)。

作為(wei)“天然(ran)電(dian)池”，Huc可以(yi)(yi)和氫(qing)氣(qi)達到持續的(de)(de)電(dian)流輸(shu)出，但目(mu)前研(yan)究的(de)(de)進度還處于起步階段，但可以(yi)(yi)確定的(de)(de)是，未來Huc可以(yi)(yi)作為(wei)開發小(xiao)型氣(qi)動設備的(de)(de)基礎(chu)，比(bi)如手表(biao)或(huo)者(zhe)智能手機(ji)。

但僅(jin)僅(jin)是這樣還不(bu)夠(gou)，此團隊希望能夠(gou)對(dui)分子進行特定的(de)(de)改變，對(dui)細菌基因組進行修飾，同時擴大(da)Huc酶的(de)(de)生產(chan)(chan)規模，然后和工程師合作設(she)計利(li)用(yong)其(qi)產(chan)(chan)生的(de)(de)電能工作的(de)(de)設(she)備，從(cong)而發揮出Huc酶最大(da)的(de)(de)優勢。

此(ci)外(wai)，Huc已經可以(yi)作(zuo)為氫的(de)生物傳感器(qi)，因(yin)為可以(yi)在少量氫中進行電子釋放，因(yin)此(ci)Huc酶也可以(yi)成為靈(ling)敏(min)的(de)測量系統(tong)。

但也有人對(dui)此展望產(chan)生(sheng)(sheng)懷(huai)疑，擁有一家初創氫(qing)能(neng)公司的(de)(de)麥考瑞大學的(de)(de)羅伯特威洛斯認為，從稀(xi)薄(bo)的(de)(de)空(kong)氣中產(chan)生(sheng)(sheng)能(neng)量(liang)的(de)(de)想法是“不切實際”的(de)(de)，他給出(chu)的(de)(de)理(li)由是，雖然能(neng)產(chan)生(sheng)(sheng)少量(liang)的(de)(de)電流，但這僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)是適用于(yu)需(xu)要極少量(liang)能(neng)量(liang)的(de)(de)東西來說，就算是應用于(yu)手表之(zhi)類，未免過于(yu)低效。

未來(lai)Huc的(de)功能未來(lai)被開發(fa)到什(shen)么程度(du)還不確定，但一個事實是，喝西(xi)北風(feng)，的(de)確可以充電。