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      從發電到深空探索:微藻帶來的可持續未來

      時間:2023-09-21 來源:原創


      生命起源于海洋,在海洋中,最基礎、最原始的單細胞海藻是海洋生物食物鏈中底層的養料,支撐著海洋生物的生長與生命的進化。

      海藻在三十五億年前就已經出現了,在生物界也算是活化石的存在,至今依然支撐著海底生物的生命系統多元化。海藻的活性成分多,營養豐富,其生長的條件易于創造,僅需要水分和光線就可以快樂地成長。

      在科學與技術的發展中,海藻越來越多的重要價值被一一揭曉,如在功能性食品、食品添加劑、農業養殖、環保等領域都活躍著其身影。近日,一則藍藻發電支撐計算機微處理器整整一年的科學研究,引起了科研圈的熱議。藍藻潛在的發電能力讓目前遍布在數字世界的各種低耗能物聯網設備看見了可持續的曙光。

      活化石中的隱藏“Power”

      這項研究是來自劍橋大學、米蘭大學和 ARM 公司的研究團隊共同合作,相關的研究論文以“Powering a microprocessor by photosynthesis”為題,發表在科學期刊 Energy & Environmental Science 上。

      整個實驗的進行是在2021年疫情封鎖期間,研究人員通過將簡易的設備裝置安置在窗臺上,就開始了研究。據論文資料顯示,用以實驗的發電小容器只有5 號電池般大小,裝置的材料也極其簡單,僅包含鋁、塑料、藍藻、水這四種簡單的基礎材料。

      研究團隊最初推測,藍藻發電的原理要么是藍藻在光合作用下,在設備正負極的設置中自身產生電子,進而產生電流,要么是藍藻創造出類似傳統的電化學反應條件,將容器中的鋁陽極腐蝕產生電子。但實驗結果顯示,鋁陽極并沒有出現降解、腐蝕現象。因此研究團隊推斷,藍藻在光合作用中自身產生了大部分電流。


      2021 2 月到 2021 8 月實驗期間,這臺由藍藻驅動的微型計算機執行了一些基本運算,以45分鐘為周期,計算連續整數的總和來模擬計算工作量,需要耗費0.3微瓦的電力,待機15分鐘則需要0.24微瓦的電力。計算機會將測量出的輸出電流數值存儲在云端,供研究團隊分析。

      研究團隊最初的設想估計這個系統會在幾周后停止工作,但沒想到藍藻發電可以日夜不休地連續工作6個月,完成試驗,并且在實驗結束后,藍藻還在繼續發電,一直運行到現在。在夜晚沒有光線的條件下,藍藻通過釋放在白天光合作用過程中存儲的能量,可以支持計算系統夜晚持續的運行。

      我們可以發現,藍藻雖然具備發電的能力,但釋放的電量比較微弱,目前也只是藍藻發電的系統驗證。論文通訊作者 C. J. Howe 也表示:當前階段,在你家的屋頂上安裝藍藻發電機并不會為你的房子提供足夠的電力。我們還有很多研究工作要做。

      藍藻的整個發電系統簡單易搭建,與傳統電池或太陽能相比,藻類對環境的影響較小,而且能夠提供持續的電力。這個藍藻發電驗證系統的成功,也讓藍藻發電,這種可持續、綠色、低成本的能源方式成為未來物聯網各類傳感器設備的可能供能方式。在一些中等收入、低收入的偏遠地區,可以為一些人群提供低功耗手機、傳感器設備供能的服務。

      微藻:生物燃料的新寵

      雖然藍藻發電的電流微弱,但如果解決規?;c技術的限制,藍藻釋放的能源潛力,在萬物互聯的物聯網和數字世界中應用的前景十分廣闊。

      我們知道,物聯網設備需要可持續的、低成本、分散的電能來提供動力來源。雖然單一物聯網設備的功耗很低,范圍只是從微瓦到毫瓦,但如果將所有物聯網設備統計來看,其數量已經達到數十億,據統計到2035年將會增加到一萬億,這也意味著背后消耗的能源與材料資源巨大。如果使用藍藻這類低污染、低成本、可持續的生物資源,也會為低碳、可持續的未來助益良多。

      5 月 10 號,國家發改委也首次出臺印發了《十四五生物經濟發展規劃》(以下簡稱規劃)的政策,強調了生物經濟的發展必要性,明確優先發展生物醫藥、生物農業、生物質替代、生物安全四大重點領域。


      “規劃中將合成生物學視作加快生物經濟創新發展的國家戰略科技力量之一,多次提及。

      而當前合成生物學利用的主要生物源包括大腸桿菌、酵母和微藻等。微藻類憑借其物種、產物的多樣性、高效的光合作用和固碳能力,成為合成生物學領域中備受矚目的基座類生物基質。

      常見的微藻可以在食品加工、飼料等領域替代玉米等農作物,以飼料蛋白為例,根據相關研究,微藻的蛋白質產量每年每公頃 4-15 噸,遠高于小麥、豆類每年每公頃 0.6-1.2 噸的蛋白質產量。微藻可以緩解氣候影響和人力資源缺乏的糧食危機。

      近年來,微藻也成為生物燃料的新寵,藻類可以通過光合作用固定大氣中的二氧化碳,將其轉換為糖類、植物蛋白,也可以通過反應生成氫、凈化廢水,可以為人類提供更低廉、更環保和可持續的能源供給和固碳方式,在各類清潔能源中具備不弱于其他能源的強大潛力。

      在政策和技術的合力統籌與挖掘下,乘著低碳與可持續的東風,微藻類生物在合成生物學的發展進程中也會釋放出巨大的能量,實現未來生物燃料的主要供給。

      外星殖民的可能性又多了一點?

      在微藻的應用中,從固碳到放電再到食物補充,對應的是環保、能源、糧食危機,都是我們目前最需要解決的發展困境。對于生物來說,可持續的生存是生命繁衍進化的目標。微藻的生長過程可以同時覆蓋并提供一種解決方案應對這三個發展難題。

      生物技術的進化中,如果解決了微藻電流開發的技術限制與規?;y題,微藻的整個生長就可以被設計在一套閉環系統中:微藻在光合作用下,將大氣中的二氧化碳捕獲,轉化為藻細胞中的蛋白和糖類脂質等,同時可以提供電能,釋放氧氣。


      目前公認地球現存微藻超過 30 萬種,其中有 3 萬種記錄在冊,但只有螺旋藻和小球藻等十幾種微藻被商業化開發。整個微藻行業仍有較大的市場空間。根據 Credence Research機構數據,2018 年全球藻類產品市場價值 339 億美元,預計到 2027 年將達到 565 億美元,從 2019 年到 2027 年的復合年增長率為 6.0%。微藻未來的千億藍海市場,將走到聚光燈下,獲得學術界、產業界、投資圈的更多關注。

      微藻類具備極強的耐受力和適應力,閉環的系統所需要的原料簡單,只是水和光,無需耕地、化肥、殺蟲劑及大量淡水,避免了許多常見的生態損害,如森林砍伐、生物多樣性喪失、荒漠化污染等。而微藻生產過程中使用的水也可以收獲后再次利用。

      微藻對于二氧化碳的固定效率和光合作用機制,給了人類可持續發展新的機遇與窗口。微藻目前的應用主要是在高附加值的產品,包括醫療和食品領域。比如一些微藻的生物合成、基因試驗,藻類綠色可持續食品的開發等。未來主要聚焦發力的是在能源類的技術應用突破方面,如我們上文中提及的發電,以及高效率的固碳等。

      生物合成學中的藻類技術專家現下的研究重點就是突破合成生物學的技術限制,開發新的光生物反應器系統,新的微藻規模培養范式,釋放微藻中的能源應用潛能,盡快實現未來可規?;a。微藻類可以解決地球的各類危機,對于宇宙的深空探索來說,也具有巨大的商業空間。


      如果腦洞開大一些,在火星上,使用微藻的閉環系統也可以支持人類在火星的部分活動?;鹦堑拇髿庵兄饕臍怏w是二氧化碳,其含量占據96%,微藻的這個閉環系統如果可以移植到火星,在攜帶足夠水的前提下,少量研究人員在火星上活動也沒有什么問題。

      如果目光放到深空探索中,微藻系統也可以支持我們在太陽系的活動。我們呼吸中排出的氣體主要是氮氣、二氧化碳和氧氣。在目前已知的一些微藻類中,有七十多種可以固氮的品類,這些藍藻在固氮的同時釋放氧氣,也是一種可以支持人類深空探索的方式。雖然設定的這些條件比較理想化,但是科學的發展正是基于這些理想化的設定,才有了現在這些日新月異的變化,這也是未來科研研究的目標與動力。

      擁有數十億生命的古老海藻,支持和喂養了無數的生命,在地球演化的歲月中,迎來送往了各式各樣的時代變遷。在技術更迭飛快的現代,我們借助工具得以更加深入的探索和開拓微藻,這個古老的生命也會繼續支撐著我們走向綠色,走向可持續的未來,走向深空。


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