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家庭污水和工業廢水中的有機化合物是動物飼料的豐富潛在能源，生物塑料甚至蛋白質 - 但由于沒有有效的提取方法，處理廠將其作為污染物丟棄。現在研究人員已經找到了一種環保且具有成本效益的解決方案。

發表在能源研究前沿，他們的研究首次表明紫色光養細菌 - 它可以儲存光能 - 當提供電流時，可以從任何類型的有機廢物中回收接近100%的碳，同時產生氫用于發電的天然氣。

“目前廢水處理廠最重要的問題之一是高碳排放，”共同作者，西班牙國王胡安卡洛斯大學的Daniel Puyol博士說。“我們的基于光的生物精煉工藝可以提供一種從廢水中獲取綠色能源的方法，零碳足跡。”

紫色光合細菌

在光合作用方面，綠色豬群成為眾人矚目的焦點。但是，當葉綠素從秋天的樹葉中退縮時，它會留下黃色，橙色和紅色的表兄弟。事實上，光合色素有各種各樣的顏色和各種生物。

提示紫色光養細菌。它們使用各種顏料從陽光中捕獲能量，這些顏料會變成橙色，紅色或棕色以及紫色。但它的新陳代謝的多功能性，而不是它們的顏色，這使它們對科學家來說如此有趣。

“紫色光養細菌因其高度多樣化的新陳代謝而成為有機廢物資源回收的理想工具，”普約爾解釋道。

細菌可以使用有機分子和氮氣 - 而不是CO2和H2O-為光合作用提供碳，電子和氮。這意味著它們比替代的光養細菌和藻類生長得更快，并且可以產生氫氣，蛋白質或一種可生物降解的聚酯作為代謝的副產物。

用電來調節代謝產物

哪種代謝產物占主導地位取決于細菌的環境條件，如光照強度，溫度以及可用的有機物和營養素類型。

西班牙阿爾卡拉大學的Abraham Esteve-Núñez教授說：“我們小組根據有機廢物來源和市場需求，操縱這些條件，將紫色細菌的新陳代謝調整到不同的應用中。”

“但我們的方法的獨特之處在于使用外部電流來優化紫色細菌的生產能力。”

這種被稱為“生物電化學系統”的概念起作用，因為紫色細菌中的多種代謝途徑通過共同的貨幣連接起來：電子。例如，需要電子供應來捕獲光能，而將氮轉化為氨會釋放多余的電子，這些電子必須被消散。通過優化細菌內的電子流動，通過正電極和負電極提供的電流(如在電池中)可以限定這些過程并最大化合成速率。

最大的生物燃料，最小的碳足跡

在他們的最新研究中，該小組分析了通過紫色光養細菌物種的混合物使氫產生最大化的最佳條件。他們還測試了負電流的影響，即由生長介質中的金屬電極提供的電子對細菌的代謝行為的影響。

他們的第一個重要發現是，產氫量最高的營養混合物也使二氧化碳的產量最小化。

Esteve-Núñez 表示，“這表明紫色細菌可用于從廢水中發現的有機物中回收有價值的生物燃料 - 蘋果酸和谷氨酸鈉 - 碳足跡低。”

更引人注目的是使用電極的結果，這首次證明了紫色細菌能夠利用來自負電極或“陰極”的電子通過光合作用捕獲CO2。

“來自我們的生物電化學系統的記錄顯示紫色細菌和電極之間存在明顯的相互作用：電極的負極化引起可檢測的電子消耗，與二氧化碳產生的減少相關。

“這表明紫色細菌利用陰極中的電子通過光合作用從有機化合物中捕獲更多的碳，因此二氧化碳的釋放量較少。”

走向用于制氫的生物電化學系統

這組作者說，這是第一次報道在生物電化學系統中使用紫色細菌的混合培養物 - 以及由于與陰極相互作用而導致的任何光生物轉移代謝的首次證明。

捕獲紫色細菌產生的過量二氧化碳不僅可用于減少碳排放，還可用于從有機廢物中提煉沼氣用作燃料。

然而，普約爾承認，該集團的真正目標還在于未來。

“該研究的最初目的之一是通過從陰極向紫色細菌代謝提供電子來增加生物氫產生。然而，似乎PPB 細菌更喜歡使用這些電子來固定CO2而不是產生H2。

“我們最近獲得了通過進一步研究來實現這一目標的資金，并將在接下來的幾年中繼續努力。繼續關注更多的新陳代謝調整。”