科罗拉多大学博尔德分校的研究人员开发出能够利用空气中的二氧化碳和氮气生产各种塑料和燃料的纳米生物杂交生物,这是迈向低成本碳封存和化学品生态友好型制造的有希望的第一步。

通过使用光活化量子点来激发微生物细胞内的特定酶,研究人员能够创建“生活工厂”,食用有害的二氧化碳,并将其转化为有用的产品,如可生物降解的塑料,汽油,氨和生物柴油。

“这项创新证明了生物化学过程的力量,”该研究的第一作者,CU博尔德化学与生物工程系的助理教授Prashant Nagpal说。“我们正在研究一种可以改善二氧化碳捕集以应对气候变化的技术,有一天甚至有可能取代塑料和燃料的碳密集型制造业。”

该项目于2013年开始,当时Nagpal和他的同事开始探索纳米级量子点的广泛潜力,纳米级量子点是类似于电视机中使用的微小半导体。量子点可以被动地注入细胞,并被设计成附着和自组装成所需的酶,然后使用特定波长的光命令激活这些酶。

Nagpal想知道量子点是否可以作为火花塞来激活微生物细胞内的特定酶,这些微生物细胞具有转化空气中二氧化碳和氮的手段,但由于缺乏光合作用而不能自然地这样做。

通过将专门定制的点扩散到土壤中常见微生物种类的细胞中,Nagpal和他的同事弥合了这一差距。现在,暴露在甚至少量的间接阳光下也会激活微生物的二氧化碳食欲,而不需要任何能源或食物来进行能量密集的生化转化。

“每个细胞都在制造数百万种这些化学物质,我们发现它们的天然产量可能会超过200%,”Nagpal说。

处于休眠状态的微生物将其产生的产物释放到表面,在那里它可以被撇去并收获用于制造。点和光的不同组合产生不同的产品:绿色波长导致细菌消耗氮并产生氨,而较红波长使微生物在CO 2上盛宴以产生塑料。

该过程还显示出能够大规模运作的有希望的迹象。该研究发现,即使微生物工厂一次激活数小时,它们也几乎没有消耗或耗尽的迹象,这表明细胞可以再生,从而限制了旋转的需要。

“我们非常惊讶它的效果和它一样优雅,”Nagpal说。“我们刚刚开始使用合成应用程序。”

Nagpal说,理想的未来主义情景将是让单户住宅和企业将二氧化碳排放直接输送到附近的一个池塘,在那里微生物将它们转化为生物塑料。业主将能够以微薄的利润出售最终产品,同时基本上抵消了他们自己的碳足迹。

“即使利润很低,也不能在纯成本基础上与石化产品竞争,这样做仍然有社会效益,”Nagpal说。“如果我们能够转换甚至一小部分当地沟渠池塘,它将对城镇的碳排放量产生相当大的影响。人们对实施的要求并不高。例如,许多人已经在家里制作啤酒,并且这并不复杂。“

他说,现在的重点将转向优化转换过程并引进新的本科生。Nagpal希望将项目转换为秋季学期的本科实验室实验,由CU Boulder Engineering Excellence Fund资助。Nagpal认为他现在的学生坚持多年的项目。

“这是一段漫长的旅程,他们的工作非常宝贵,”他说。“我认为这些结果表明这是值得的。”