模拟海洋微生物生态系统创建仿生海洋电池

生物光伏是一种绿色的太阳能发电技术，合成微生物组正逐渐成为生物光伏新的发展形式。具有光电转化功能的海洋微生物生态系统，可以视为一个由太阳能充电的“海洋电池”。位于水柱层透光区的光合微生物，通过光合作用吸收太阳能固定二氧化碳，把电子存储到有机质中；位于沉积层的两类异养微生物（初级分解者和终端消费者）将有机质逐级降解并最终完全氧化。初级分解者负责将复杂有机质分解为简单有机化合物，终端消费者负责将简单有机化合物完全氧化，释放出电子用于氮﹑铁﹑锰﹑硫等元素的生物还原过程。

近日，中国科学院微生物研究所等研究团队在《Nature Communications》上发表题为“A miniaturized bionic ocean-battery mimicking the structure of marine microbial ecosystems”的研究论文。该研究受海洋电池启发，通过模拟海洋微生物生态系统的基本结构，设计制造了一个由蓝藻（初级生产者）﹑大肠杆菌（初级分解者）﹑希瓦氏菌和地杆菌（终端消费者）组成的四菌生物光伏系统。

研究人员证明了由四菌微生物组构成的生物光伏系统具有最小的系统内阻﹑最高的功率密度和最稳定的电流输出；进一步开发了一种导电水凝胶作为模拟沉积层的厌氧基质，将大肠杆菌﹑希瓦氏菌和地杆菌三种需要厌氧环境的微生物封装到导电水凝胶中，形成人工沉积层；在人工沉积层上培养蓝藻，形成人工水柱层；将人工沉积层与人工水柱层组装在一起，最终制造出一体化生物光伏系统，可以直接将光能转化为电能，并稳定运行1个月以上。该生物光伏系统模拟了海洋电池的基本物理结构和生态结构，但时空尺度显著压缩，可以视为一个小型化的仿生海洋电池，将生物光伏效率提高到新的水平。

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