微生物所李寅研究員團隊創建出新一代生物光伏系統

2020-12-08 騰訊網

發展和利用可再生能源是人類社會實現可持續發展的必由之路。作為地球上最豐富的可再生能源，太陽能利用的基礎和應用研究具有重大的科學和現實意義。

光伏發電是太陽能利用的主要形式，其技術核心是利用半導體材料將太陽能轉化為電能。隨著能量轉化效率的不斷提升和製造成本的不斷降低，全球太陽能光伏裝機容量累計已超過500 GW。但是，部分光伏材料含有毒元素，廢棄太陽能電池板總量大且難以回收，且光伏器件製造過程涉及有毒有害化學品的使用。隨著太陽能光伏的不斷推廣使用，其對環境的潛在負面衝擊不可忽視。

生物光伏（biophotovoltaics, BPV）為太陽能利用提供了一條生物學路徑。生物光伏利用光合微生物（如藍藻）作為光電轉換材料，具有碳中性﹑良好的環境相容性和潛在低成本等特點，有望成為環境更加友好的新一代太陽能發電技術。

然而，當前BPV系統的輸出功率很低，比太陽能光伏低3個數量級以上。其主要原因是藍藻等光合微生物雖然具有很高的光合效率，但產電活性很弱。在直接改造藍藻以強化其產電活性方面，目前尚未有成功的報導。

為了提高BPV光電轉化效率，李寅研究組另闢蹊徑，設計並創建了一個具有定向電子流的合成微生物組，來解決藍藻直接產電活性微弱的問題。

該合成微生物組由一個能夠將光能儲存在d-乳酸的工程藍藻和一個能夠高效利用d-乳酸產電的希瓦氏菌組成（圖1）。在這個合成微生物組中，d-乳酸是兩種微生物間的能量載體。藍藻吸收光能並固定CO2來合成能量載體d-乳酸，希瓦氏菌氧化d-乳酸進行產電，由此形成一條從光子到d-乳酸再到電能的定向電子流，完成從光能到化學能再到電能的能量轉化過程。

通過在遺傳﹑環境和裝置層面的設計﹑改造和優化，研究人員有效克服了兩種微生物之間生理不相容的問題。由此創建的雙菌生物光伏系統實現了高效﹑穩定的功率輸出，其最大功率密度達到150 mW/m2，比目前的單菌生物光伏系統普遍提高10倍以上。採用連續流加培養方式，該雙菌生物光伏系統可穩定實現長達40天以上的功率輸出，且平均功率密度達到135 mW/m2的較高水平，在產電時長﹑單裝置輸出功率兩方面均達到了目前BPV系統的最高水平。

這是國際上利用具有定向電子流的合成微生物組創建生物光伏的首例報導，也是我國第一臺生物光伏原型裝置。該研究證明了利用具有定向電子流的合成微生物組可以顯著提高BPV光電轉化效率，打破了人們對生物光伏效率和壽命難以提高的固有認識，為進一步提升BPV光電轉化效率奠定了重要基礎。

圖1 具有定向電子流的雙菌生物光伏卡通示意圖

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