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MIT 开发微射流技术,细菌产电鉴定效率提升

2024-12-24 211

利用细菌发电不是什么新消息,但哪种细菌的发电效益最高?现有探测细菌电化学活性的技术耗时又麻烦,因此麻省理工学院团队开发出一种微射流技术,可以快速测量与细菌发电能力高度相关的特定属性。

对某些生活在缺氧环境如:矿井深处、湖底、人体肠道中的细菌来说,它们必须找到一种不靠氧气呼吸的方法,久而久之,它们发展出独特的发酵无氧呼吸方式,过程排出电子。换句话说,我们可以利用厌氧细菌的这道天然机制收集电力。

科学家正在探索各种应用细菌发电的领域,比如燃料电池、污水净化等,NASA 甚至调查过细菌是否能为未来的太空任务提供动力。但是,想确定细菌的电性能首先就是一项挑战:细菌比哺乳动物的细胞还要小,而且在实验室条件下极难生长。为此,美国麻省理工学院工程师开发出一种微射流(microfluidic)技术,可以更有效、更安全的评估细菌电化学活性。

细菌于细胞中产生电子后,透过表面蛋白质形成的微小通道将电子转移到细胞膜上,这过程称为胞外电子转移(extracellular electron transfer,EET),而现有探测细菌电化学活性的技术,一种需要培养大批细菌来测量胞外电子转移过程的蛋白活性,另一种则需要让细菌细胞破裂以探测蛋白质,两者都复杂且耗时。

微射流技术加速检测细菌发电能力

因此,麻省理工学院机械工程学副教授 Cullen Buie 团队过去 10 年致力于开发微射流技术,如首图所示,研究人员在一个沙漏型微射流通道中施加微小电压(80V),观察细菌经过中间狭窄通道时,电场推动细菌流过通道的状况。

由于中间通道比其他区域狭窄,会挤压电场使其分布不均匀,导致场内粒子出现介电泳(dielectrophoresis,DEP)现象,粒子在不同的施加电压环境下可能被排斥或停留,具体取决于粒子的表面特性。过去,研究人员曾利用介电泳现象区分不同类型的细菌,现在研究人员想看看能否利用介电泳现象,测试不同细菌的电化学活动。

实验发现,确实可利用细菌的发电能力来区分它们,一些细菌在较低电压下被电位捕捉,而一些则在较高电压下被捕捉,研究人员记录细菌的大小与捕捉所需电压后,可以计算出每个细菌的极化性(polarizability):细胞在电场中产生电的容易程度,并得出结论,极化性较高的细菌同时也更具电化学活性,是活跃的电力生产者。

接下来,团队将开始利用这项技术测试那些被当作电力产出强打者的细菌,让我们筛选发电细菌的过程更加快速简单。新论文发表在《科学前缘》(Science Advances)期刊。

  • New Technique Makes Electricity-Producing Bacteria More Useful Than Ever
  • Researchers close in on harnessing electricity from bacteria
  • Technique identifies electricity-producing bacteria

(首图来源:麻省理工学院)

2019-03-10 17:31:00

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