氣候變化帶來的干旱問題給美國許多地區(qū)的未來發(fā)展蒙上陰影。亞利桑那州是出了名的干旱地，該州38%的水資源供應來自科羅拉多河，它的供水依賴與美國其他州達成的水資源共享協(xié)議。去年夏天，美國聯(lián)邦政府宣布該河的主要水庫之一米德湖(Lake Mead)出現(xiàn)水資源短缺。這意味著美國多個依賴該河作為水源的州將面臨缺水危機。這對于亞利桑那州的人來說絕對是雪上加霜的消息。

亞利桑那州干涸的仙人掌 | 圖源：tucson.com

水資源如此短缺，以至于當?shù)氐目茖W家們連污水資源也不放過——亞利桑那州立大學環(huán)境工程系的科研團隊提出用養(yǎng)殖微藻的方法減少二氧化碳的排放，同時還能生產(chǎn)各種高附加值的產(chǎn)品。

最近該項目又有了新進展——其微藻反應器要搬到在梅薩城(Mesa)的一座污水廠進行測試。

作者：瓦村農(nóng)夫

亞利桑那州立大學(ASU)有位叫Bruce Rittmann教授。Bruce Rittmann教授是MBfR (基于膜傳導的生物膜反應器) 的發(fā)明者，也是最早提出微生物燃料電池 (Microbial Fuel Cell) 的學者之一。他在氣體傳遞膜方面的研究已有約20年的時間，將這膜技術和微藻養(yǎng)殖相結(jié)合也有10年多的時間。他正是這個養(yǎng)藻項目的負責人。

Bruce Rittmann教授 | 圖源：ASU

這個項目的全稱是Atmospheric CO₂ Capture and MembraneDelivery，簡稱ACED。顧名思義，就是捕獲空氣中的二氧化碳，然后通過膜技術傳遞收集。這個項目由美國能源部撥款資助，為期三年。

下圖是Rittmann教授在2019年3月給美國能源部生物能源技術辦公室(DOE-BETO)做匯報的PPT截圖。如圖所示，這個項目的目標是利用污水處理廠產(chǎn)生的溫室氣體來生產(chǎn)電能、生物燃料，甚至是用來做冰淇淋。這些都需要通過微藻這種中間產(chǎn)物來實現(xiàn)。

該團隊將在1月份完成目前為期6周的項目，但計劃繼續(xù)與梅薩市進行長期合作。

梅薩城西北再生水廠衛(wèi)星圖 | 圖源：GoogleMaps

“梅薩城的污水廠有厭氧消化器，他們一直樂于嘗試新的技術。又因為(污水廠)就在ASU附近，我們過去多年和他們建立了良好的研發(fā)合作關系?！?Rittmann教授說。

微藻反應池外觀，從廢水處理中捕獲的沼氣被送到這三個池塘，在那里用來種植藻類。這些池塘是在亞利桑那州立大學的亞利桑那藻類技術與創(chuàng)新中心設計的。 | 圖源：ASU

世界各地的污水處理廠都開始進行碳中和的升級，厭氧消化器是重要組成，目的是回收污水中的有機質(zhì)，并轉(zhuǎn)化成生物沼氣。生物沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳。這些沼氣處理得當可以通過熱電聯(lián)產(chǎn)實現(xiàn)電能和熱能的回收，但對于不那么財大氣粗的污水廠，更常見的操作是把沼氣燒掉，目的是把甲烷轉(zhuǎn)化成二氧化碳，減少甲烷的直接排放，畢竟甲烷的溫室效應強度遠高于二氧化碳。

ASU有一個叫負碳排放中心的部門，Justin Flory是該中心的副主管，也是微藻測試項目的項目經(jīng)理。他表示污水廠現(xiàn)在就這樣把CO₂排放掉了，“但現(xiàn)在人們也都知道CO₂是個問題”。言下之意，這樣白白把CO₂排掉，污水廠不僅不能實現(xiàn)碳中和，甚至還加劇了氣候變化。

那該如何處理這些CO₂呢？

ASU的團隊說現(xiàn)在不需要燒沼氣了，而且可以把CO₂拿去種微藻。

若給這技術一個花哨的噱頭，小編會說這是種“以綠治綠”的黑科技——第一個綠指綠色的微藻，第二個綠指溫室氣體(Greenhouse Gas)。

西北再生水廠過去將厭氧消化器生成的生物沼氣壓縮并存貯到罐里，然后燃燒成為CO₂后排放?，F(xiàn)在ASU的團隊在消化器旁邊建了3個25㎡的微藻池中，部分沼氣會輸送到這些水池里。 

沼氣會直接輸進池中的中空纖維膜，其中CO₂可以穿過纖維膜的孔徑進入水中，成為水中微藻的底物進行光合作用。

ASU的助理研究員Everett Eustance埃弗雷特·尤斯塔斯是亞利桑那州立大學的助理研究科學家，他在梅薩的西北水回收設施領導藻類培育試驗。 | 圖源：Andy DeLisle/ASU

這套工藝幾乎可以將所有CO₂傳遞給微藻，也就是說沼氣中的CO₂都不會排放到大氣中。

反過來，這些CO₂可促進微藻的生長，降低其養(yǎng)殖成本。這里說的成本降低，是與該套系統(tǒng)1.0版本相比的結(jié)果。因為這個項目的最初設想是對空氣中的CO₂進行濃縮后再傳輸?shù)轿⒃宄??！?span>大氣的CO₂含量太低了，無法支撐高產(chǎn)率。”該團隊的核心成員Everett Eustance博士在接受ASU校方采訪時如此說道。

ACED1.0系統(tǒng)的原理圖及設備 | 圖源：energy.gov

那剩下的甲烷去哪了呢？據(jù)介紹，大部分的甲烷會排出纖維管，有后續(xù)裝置對這些甲烷進行收集做進一步用途。這也相當于同時完成了甲烷的提純。

“梅薩城剛通過了一個氣候變化行動計劃，目標是在2050年使用100%的可再生能源，實現(xiàn)碳中和?！泵匪_城環(huán)境管理和可持續(xù)發(fā)展部主任Scott Bouchie在接受采訪時說，“這個項目將幫助我們朝著這些目標邁進。”

完成甲烷和二氧化碳分離后，最終產(chǎn)物有何去向呢？

ASU負碳排放中心的副主任Justin Flory說：“富集后的甲烷可用來發(fā)電，或者用作你家煤氣爐的燃料，又或者為天然氣公交車提供燃料。”

當然，更重要的是微藻的使用潛力。

Flory先生補充道：“這些生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化成許多不同的物質(zhì)，例如某些微藻富含蛋白質(zhì)和Omega-3脂肪酸，可用于喂養(yǎng)動物或魚類。有些微藻中的化合物還可用于制造冰淇淋。”Flory先生指的是藻類中蘊含的瓊脂(agar)。

此外，微藻還可以轉(zhuǎn)化為生物燃料。

Flory先生說：“請大家想想化石燃料是如何產(chǎn)生的——它是植物等埋在地底的有機材料，在熱能和壓力作用下轉(zhuǎn)化為化石燃料。這過程需成千上萬年的時間，但現(xiàn)在的技術可以在幾分鐘內(nèi)完成(這個過程)?！?/p>

他指的技術就是將微藻搗碎成泥漿狀后，加壓煮熟，直到變成生物燃料。在ASU團隊看來，用微藻生產(chǎn)生物燃料是一個閉環(huán)循環(huán)——雖然生物燃料最終會變成二氧化碳，但這些二氧化碳可以被新的微藻吃掉，制造更多的生物燃料。

藻類轉(zhuǎn)化成生物燃料的示意圖 | 圖源：維基百科

藻類的潛力早已寫進大學的教科書，但在實際應用的效果如何呢？

相比美國其他地區(qū)，亞利桑那州的光照是相當充足的。但Flory先生說：“僅僅有充足穩(wěn)定的光照還不夠，該系統(tǒng)要想高效運行，需要太陽光到達池底，如果藻的密度太高，太陽光就無法穿透了?！币虼诉@次實地測試的目標之一就是要確定每個池的微藻的最優(yōu)量。

水資源也是第二個要考慮的因素。用再生水廠的出水作為水源，就不用“浪費”自來水，還為中水回用找到了有效歸宿。

第三則是天氣的問題，氣溫的下降會降低微藻的生長速率，因此他們選擇在11月下旬開始測試，目的是篩選出能適應較低溫度的微藻種類。

ASU的助理研究員Everett Eustance | 圖源：Andy DeLisle/ASU

這次的測試為期6周。下一步他們希望能用厭氧消化器的出水進行測試，因為這些消化液富含氮磷等營養(yǎng)物，不僅能促進微藻的生長，還將進一步提高閉環(huán)循環(huán)的水平。

這次測試將起到良好的示范作用，它給其他城市展示了污水處理廠轉(zhuǎn)變成為資源回收工廠的新思路。

“我最終是想看到成千個微藻池同時運行?！?這是Eustance博士心中的期許。小編也祝愿他和他的團隊能早起實現(xiàn)這個小目標。

位于西北再生水廠的微藻池 | 圖源：ASU

利用人工光合作用裝置，可以更可靠地生產(chǎn)乙烯和氫氣

通過人工光合作用，發(fā)現(xiàn)顯著地提高了乙烯和氫氣生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

一個研究小組開發(fā)了一種新的人工光合作用裝置組件。具有顯著的穩(wěn)定性和壽命，因為它選擇性地將陽光和二氧化碳轉(zhuǎn)化為兩種有希望的可再生燃料--乙烯和氫。

研究人員的發(fā)現(xiàn)，他們最近發(fā)表在雜志上自然能，展示設備如何隨著使用而退化，然后演示如何減輕它。作者還提供了新的洞察電子和電荷載流子稱為“空穴”如何導致人工光合作用的退化。

高級作者說：“通過了解材料和設備是如何在操作中發(fā)生變化的，我們可以設計出更耐用的方法，從而減少浪費?！备ダ饰鹘z卡·托馬的工作人員液體日光聯(lián)盟(LISA)伯克利實驗室化學科學部.

弗朗西絲卡·托馬(左)和劉貴吉在伯克利實驗室液體日光聯(lián)盟大樓外。(來源：索爾·斯威夫特/伯克利實驗室)

在目前的研究中，Toma和她的團隊設計了一種模型太陽能燃料裝置，稱為由銅(I)氧化物或氧化亞銅(Cu2O)制成的光電化學(PEC)電池，這是一種很有前途的人工光合作用材料。

氧化亞銅長期以來一直困擾著科學家，因為這種物質(zhì)的強度--它對光的高反應性--也是它的弱點，因為光會在幾分鐘內(nèi)使材料分解。但氧化亞銅雖然不穩(wěn)定，但由于其價格相對低廉，并具有吸收可見光的特性，是人工光合作用的最佳候選材料之一。

為了更好地了解如何優(yōu)化這種有前途的材料的工作條件，托馬和她的團隊仔細觀察了氧化亞銅在使用前后的晶體結(jié)構(gòu)。

電子顯微鏡實驗分子鑄造證實氧化亞銅在接觸光和水后幾分鐘內(nèi)會迅速氧化或腐蝕。在人工光合作用研究中，研究人員通常使用水作為電解質(zhì)，將二氧化碳還原成可再生的化學物質(zhì)或燃料，如乙烯和氫--但水中含有氫氧化物離子，這會導致不穩(wěn)定性。

但是另一個實驗，這一次使用了一種叫做環(huán)境壓力X射線光電子能譜(Apxps)的技術。先進光源，揭示了一個意想不到的線索：氧化亞銅在含有氫氧化物的水中腐蝕得更快，氫氧化物是由與氫原子結(jié)合的氧原子組成的負電荷離子。

“我們知道它是不穩(wěn)定的，但我們驚訝地發(fā)現(xiàn)它到底有多不穩(wěn)定，”他說。托馬?！爱斘覀冮_始這項研究時，我們想知道，也許更好的太陽能燃料裝置的關鍵不在于材料本身，而在于反應的整體環(huán)境，包括電解質(zhì)?！?/p>

“這表明氫氧化物有助于腐蝕。另一方面，我們認為，如果你消除了腐蝕的根源，你就可以消除腐蝕?！暗谝蛔髡呓忉尩?。劉桂吉她是伯克利實驗室化學科學部的一個項目科學家。

發(fā)現(xiàn)意外的腐蝕線索

在電子設備中，電子空穴對分離成電子和空穴來產(chǎn)生電荷.但是一旦分開，如果電子和空穴不被用來發(fā)電，比如在光伏裝置中將陽光轉(zhuǎn)換成電，或者在人工光合作用裝置中進行反應，它們就可以與材料反應并降解它。

莉薩項目科學家劉貴吉負責調(diào)整光電化學電池。(來源：索爾·斯威夫特/伯克利實驗室)

在人工光合作用中，如果控制不當，這種重組會腐蝕氧化亞銅。長期以來，科學家們一直認為電子是氧化亞銅腐蝕的唯一罪魁禍首。但令Toma和Liu感到驚訝的是，計算機模擬是在國家能源研究科學計算中心(NERSC)表明洞也起了一定的作用。劉說：“在我們的研究之前，大多數(shù)人認為氧化亞銅中光誘導的降解主要是由電子引起的，而不是由空穴引起的。”

模擬還暗示了氧化亞銅固有的不穩(wěn)定性的一種潛在的解決辦法：一種表面涂有銀的氧化亞銅和下面的金/氧化鐵。這個“Z方案”是受自然光合作用中發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移的啟發(fā)，它應該創(chuàng)造一個“漏斗”，把氧化亞銅的孔送到金/氧化鐵的“水槽”。此外，界面材料的多樣性應該通過提供額外的電子來與氧化亞銅的空穴重新結(jié)合來穩(wěn)定系統(tǒng)，托馬解釋說。

為了驗證他們的模擬，研究人員在伯克利實驗室的toma的Lisa實驗室設計了一個Z方案的人工光合作用裝置的物理模型。令他們高興的是，該裝置以前所未有的選擇性生產(chǎn)了乙烯和氫，并持續(xù)了超過24小時?！斑@是一個令人興奮的結(jié)果?！闭f托馬.

“我們希望我們的工作鼓勵人們設計出適應人工光合作用裝置中半導體材料內(nèi)在特性的策略?！眲⒛?

研究人員計劃利用他們的新方法，繼續(xù)開發(fā)用于液體燃料生產(chǎn)的新型太陽能燃料裝置。托馬總結(jié)道：“了解材料在人工光合作用裝置中的作用是如何轉(zhuǎn)變的，可以起到預防性修復和延長活動的作用?！?/p>

其他合著者有范政，李俊瑞，曾國松.葉一帆，拉森，雅野俊子，伊?！た唆斈妨郑瑔虪枴ぐ?，王林旺.

液態(tài)陽光聯(lián)盟是能源部能源創(chuàng)新中心。先進光源、分子鑄造和NERSC是伯克利實驗室的用戶設施。

這項工作得到了能源部科學辦公室的支持。

生物光電化學電池可直接從海藻中獲取電流或氫氣

各種大型藻類

石莼(Ulva)

使命：There are mysteries to the universe we were never ment to solve.But who we are,and why we are here,are not among them.Those answers we carry inside.

宇宙中有許多謎團，是我們永遠無法解開的，但我們的身份以及存在的原因，并非無法解答，這些答案就在我們軀體之中。

愿景：Whenever you look to the stars,think of one of them as my soul.Defend this family,algae,as they have you,defend all they can be.

當你抬頭仰望星辰，請把其中的一顆星星，當成我的靈魂，請守護這一家人，藻類。如同他們守護你一般，守護他們，守護他們的未來。