Nature子刊：微生物燃料电池甲烷发电！

甲烷是天然气的主要成分，储量丰富。然而：1）海洋深处、天然气矿井以及甲烷存储和运输过程中很容易发生甲烷泄漏，甲烷作为温室气体，每一百年比CO2产生的温室效应高30倍左右；2）产业发展迅速，甲烷产量迅速增长，为了保持相关行业的可持续发展，必须找到高附加值的转型之路。

对比需要高温的GLT等技术，利用微生物燃料电池将甲烷在矿井处直接转化为电能、燃料或高附加值化学品不失为一种更有效避免泄漏和实现产业升级的策略。

 

图1. 甲烷对大气的影响

 

问题在于：利用甲烷这种温室气体作为原料进行微生物燃料电池发电并不成熟。这主要是因为1）能消耗甲烷的微生物厌氧甲烷氧化菌和硫酸根还原菌生活在海洋深处，需要共生共养，培养不易；2）甲烷厌氧氧化过程相当复杂。

 

       2016年，Silvan Scheller等人发现，厌氧甲烷氧化菌在不需要硫酸根还原菌的情况下，仅仅依靠人工的电子受体也能生长。这种新发现的新陈代谢表明仅仅依靠厌氧甲烷氧化菌就有望氧化甲烷，并转化为电能。

 

 

图2. ANME细菌新陈代谢的多样性

 

有鉴于此，Thomas K. Wood等人模仿厌氧甲烷氧化菌DNA结构，合成了一种可在实验室培养的人造甲烷氧化细菌，实现了利用甲烷发电。

 

 

图3. 甲烷微生物燃料电池

 

为了模仿实际污水环境，研究人员在环境中添加了厌氧处理污泥，甲烷微生物燃料电池不仅为甲烷发电打开了一扇大门，还可以利用产生的电子还将CO₂还原成羧酸盐和醇类物质，将质子还原成H₂，这也就是CO₂和H₂制备甲烷的逆反应过程。

 

 

 

图4. 可能的机理

 

这种MFC反应器最大功率可达到168±9 mW m^-2，电流密度为273±7 mA m^-1，库存效率高达90%±10%。

 

 

 

图5. 发电数据

 

1. Michael J. McAnulty,, Thomas K. Wood et al. Electricity from methane by reversing methanogenesis. Nature Communications 2017, 8, 15419.

2. Silvan Scheller, Hang Yu, Victoria J. Orphan et al. Artificial electron acceptors decouple archaeal methane oxidation from sulfate reduction. Science, 2016, 351, 703-707.

3. Grant Allen. Biogeochemistry: Rebalancing the global methane budget. Nature 2016, 538, 46–48.

4. Zhiyong Jason Ren et al. Microbial fuel cells: Running on gas. Nature Energy 2017, 17093.