研究人员设计合成厌氧细菌来捕获、转化甲烷

　　

根据美国环境保护署的数据，甲烷是一种强大的温室气体，每分子对环境的破坏是二氧化碳的25倍。海底的细菌可以在完全没有氧气的情况下，通过一种叫做厌氧甲烷氧化(AMO)的过程从周围环境中去除甲烷。宾夕法尼亚州立大学和亚利桑那大学的研究人员将利用美国国家科学基金会(NSF)提供的为期四年的320万美元赠款，来设计生物技术基金会，在一个系统中使用这些细菌的合成版本，从甲烷的源头捕获和转化甲烷。

宾夕法尼亚州立工程学院化学工程教授Thomas Wood和亚利桑那大学分子、细胞生物学和生物医学工程副教授Ingmar H. Riedel-Kruse已经联合起来，创建了可扩展的生物反应堆，在甲烷作为有害的温室气体逃逸到大气之前利用它。伍德的实验室克隆了在海底发现的捕获甲烷的微生物的酶。这种酶将用于建立在Riedel-Kruse先前在工程合成财团中取得成功的生物反应器中。

“这些吸收甲烷的细菌是厌氧菌，”伍德说。“尽管它们生长非常缓慢——每100年才翻一番——但它们捕获甲烷气体非常有效。我们无法在实验室里单独培养它们，但我们已经能够克隆它们的DNA。”

伍德说，这个项目的主要目标是将经过工程改造的细菌添加到足够实用和经济的反应堆中，使甲烷成为一种资源而不是一种污染物。

伍德说:“这些小型、偏远的生物反应器将被用于在甲烷的源头——水力压裂场、垃圾填埋场和污水处理厂——捕获甲烷，并立即将其转化为电力或有价值的基础化学物质，这些化学物质可用于其他化合物，如酒精、塑料和汽车燃料。”细菌的厌氧性质是关键。为了复制这些细菌发酵甲烷的过程，研究人员必须创造一个无氧区域。他们将使用一种生物膜——粘液——来控制细菌在反应器中的空间排列。

伍德说:“我们将创造出主要由黏液组成的空间定义小球。”

黏液的外部区域将去除氧气，让内部的厌氧细胞捕获甲烷，并将其转化为中间化学物质。外层的需氧细胞也会将中间化合物转化为最终产物。

伍德说:“模块化、易于扩展的生物反应器提供了一种实用的过程，可以在许多不同的地方操作。”“与目前捕获和转化甲烷的方法相比，它将更有效、更可分配、更便宜。我们还不知道水力压裂现场的过程会是什么样子，但在市政层面，很容易看到我们下一步的方向:固定生物膜反应堆。”

现有的炼油厂，如水力压裂行业使用的炼油厂，将甲烷转化为汽油类化合物，但建造成本高达数百亿美元。伍德说，将甲烷从偏远地区运到这些炼油厂效率很低，在从源头到炼油厂的运输过程中，高达20%的甲烷会流失到大气中。

伍德说:“我们希望停止释放甲烷，并开始利用它来代替燃烧它。”“我们简单的生物反应器在室温下固定运行。你不需要花费200亿美元和大量的能源来捕获甲烷并将其转化为有用的东西。”

研究人员已经组建了一个跨学科的团队，其中包括合成生物学、化学工程生物反应器设计和社会科学方面的专业知识，以及实现新技术的潜在未来用户。生物反应器将在相关现场进行测试，首先是废水处理设施。

Riedel-Kruse说，除了开发一种将甲烷转化为化学物质的新方法外，研究人员还将研究如何以一种对社会和环境负责的方式传播这项技术。美国国家科学基金会为研究人员增加了30万美元的奖金，以增加他们的教育成分。