从发电到深空探索:微藻带来的可持续未来

蓝藻释放的能源潜力,在万物互联的物联网和数字世界中应用的前景十分广阔。

文|脑极体

生命起源于海洋,在海洋中,最基础、最原始的单细胞海藻是海洋生物食物链中底层的养料,支撑着海洋生物的生长与生命的进化。

海藻在三十五亿年前就已经出现了,在生物界也算是活化石的存在,至今依然支撑着海底生物的生命系统多元化。海藻的活性成分多,营养丰富,其生长的条件易于创造,仅需要水分和光线就可以快乐地成长。

在科学与技术的发展中,海藻越来越多的重要价值被一一揭晓,如在功能性食品、食品添加剂、农业养殖、环保等领域都活跃着其身影。近日,一则蓝藻发电支撑计算机微处理器整整一年的科学研究,引起了科研圈的热议。蓝藻潜在的发电能力让目前遍布在数字世界的各种低耗能物联网设备看见了可持续的曙光。

活化石中的隐藏“Power”

这项研究是来自剑桥大学、米兰大学和 ARM 公司的研究团队共同合作,相关的研究论文以“Powering a microprocessor by photosynthesis”为题,发表在科学期刊Energy &Environmental Science上。

整个实验的进行是在2021年疫情封锁期间,研究人员通过将简易的设备装置安置在窗台上,就开始了研究。据论文资料显示,用以实验的发电小容器只有5 号电池般大小,装置的材料也极其简单,仅包含铝、塑料、蓝藻、水这四种简单的基础材料。

研究团队最初推测,蓝藻发电的原理要么是蓝藻在光合作用下,在设备正负极的设置中自身产生电子,进而产生电流,要么是蓝藻创造出类似传统的电化学反应条件,将容器中的铝阳极腐蚀产生电子。但实验结果显示,铝阳极并没有出现降解、腐蚀现象。因此研究团队推断,蓝藻在光合作用中自身产生了大部分电流。

在 2021 年 2 月到 2021 年 8 月实验期间,这台由蓝藻驱动的微型计算机执行了一些基本运算,以45分钟为周期,计算连续整数的总和来模拟计算工作量,需要耗费0.3微瓦的电力,待机15分钟则需要0.24微瓦的电力。计算机会将测量出的输出电流数值存储在云端,供研究团队分析。

研究团队最初的设想估计这个系统会在几周后停止工作,但没想到蓝藻发电可以日夜不休地连续工作6个月,完成试验,并且在实验结束后,蓝藻还在继续发电,一直运行到现在。在夜晚没有光线的条件下,蓝藻通过释放在白天光合作用过程中存储的能量,可以支持计算系统夜晚持续运行。

我们可以发现,蓝藻虽然具备发电的能力,但释放的电量比较微弱,目前也只是蓝藻发电的系统验证。论文通讯作者 C. J. Howe 也表示:“当前阶段,在你家的屋顶上安装蓝藻发电机并不会为你的房子提供足够的电力。我们还有很多研究工作要做。”

蓝藻的整个发电系统简单易搭建,与传统电池或太阳能相比,藻类对环境的影响较小,而且能够提供持续的电力。这个蓝藻发电验证系统的成功,也让蓝藻发电,这种可持续、绿色、低成本的能源方式成为未来物联网各类传感器设备的可能供能方式。在一些中等收入、低收入的偏远地区,可以为一些人群提供低功耗手机、传感器设备供能的服务。

微藻:生物燃料的新宠

虽然蓝藻发电的电流微弱,但如果解决规模化与技术的限制,蓝藻释放的能源潜力,在万物互联的物联网和数字世界中应用的前景十分广阔。

我们知道,物联网设备需要可持续的、低成本、分散的电能来提供动力来源。虽然单一物联网设备的功耗很低,范围只是从微瓦到毫瓦,但如果将所有物联网设备统计来看,其数量已经达到数十亿,据统计到2035年将会增加到一万亿,这也意味着背后消耗的能源与材料资源巨大。如果使用蓝藻这类低污染、低成本、可持续的生物资源,也会为低碳、可持续的未来助益良多。

5 月 10 号,国家发改委也首次出台印发了《“十四五”生物经济发展规划》(以下简称“规划”)的政策,强调了生物经济的发展必要性,明确优先发展生物医药、生物农业、生物质替代、生物安全四大重点领域。

“规划”中将合成生物学视作加快生物经济创新发展的国家战略科技力量之一,多次提及。

而当前合成生物学利用的主要生物源包括大肠杆菌、酵母和微藻等。微藻类凭借其物种、产物的多样性、高效的光合作用和固碳能力,成为合成生物学领域中备受瞩目的基座类生物基质。

常见的微藻可以在食品加工、饲料等领域替代玉米等农作物,以饲料蛋白为例,根据相关研究,微藻的蛋白质产量每年每公顷 4-15 吨,远高于小麦、豆类每年每公顷 0.6-1.2 吨的蛋白质产量。微藻可以缓解气候影响和人力资源缺乏的粮食危机。

近年来,微藻也成为生物燃料的新宠,藻类可以通过光合作用固定大气中的二氧化碳,将其转换为糖类、植物蛋白,也可以通过反应生成氢、净化废水,可以为人类提供更低廉、更环保和可持续的能源供给和固碳方式,在各类清洁能源中具备不弱于其他能源的强大潜力。

在政策和技术的合力统筹与挖掘下,乘着低碳与可持续的东风,微藻类生物在合成生物学的发展进程中也会释放出巨大的能量,实现未来生物燃料的主要供给。

外星殖民的可能性又多了一点

在微藻的应用中,从固碳到放电再到食物补充,对应的是环保、能源、粮食危机,都是我们目前最需要解决的发展困境。对于生物来说,可持续的生存是生命繁衍进化的目标。微藻的生长过程可以同时覆盖并提供一种解决方案应对这三个发展难题。

生物技术的进化中,如果解决了微藻电流开发的技术限制与规模化难题,微藻的整个生长就可以被设计在一套闭环系统中:微藻在光合作用下,将大气中的二氧化碳捕获,转化为藻细胞中的蛋白和糖类脂质等,同时可以提供电能,释放氧气。

目前公认地球现存微藻超过 30 万种,其中有 3 万种记录在册,但只有螺旋藻和小球藻等十几种微藻被商业化开发。整个微藻行业仍有较大的市场空间。根据 Credence Research机构数据,2018 年全球藻类产品市场价值 339 亿美元,预计到 2027 年将达到 565 亿美元,从 2019 年到 2027 年的年复合增长率为 6.0%。微藻未来的千亿蓝海市场,将走到聚光灯下,获得学术界、产业界、投资圈的更多关注。

微藻类具备极强的耐受力和适应力,闭环的系统所需要的原料简单,只是水和光,无需耕地、化肥、杀虫剂及大量淡水,避免了许多常见的生态损害,如森林砍伐、生物多样性丧失、荒漠化污染等。而微藻生产过程中使用的水也可以收获后再次利用。

微藻对于二氧化碳的固定效率和光合作用机制,给了人类可持续发展新的机遇与窗口。微藻目前的应用主要是在高附加值的产品,包括医疗和食品领域。比如一些微藻的生物合成、基因试验,藻类绿色可持续食品的开发等。未来主要聚焦发力的是在能源类的技术应用突破方面,如我们上文中提及的发电,以及高效率的固碳等。

生物合成学中的藻类技术专家现下的研究重点就是突破合成生物学的技术限制,开发新的光生物反应器系统,新的微藻规模培养范式,释放微藻中的能源应用潜能,尽快实现未来可规模化生产。微藻类可以解决地球的各类危机,对于宇宙的深空探索来说,也具有巨大的商业空间。

如果脑洞开大一些,在火星上,使用微藻的闭环系统也可以支持人类在火星的部分活动。火星的大气中主要的气体是二氧化碳,其含量占据96%,微藻的这个闭环系统如果可以移植到火星,在携带足够水的前提下,少量研究人员在火星上活动也没有什么问题。

如果目光放到深空探索中,微藻系统也可以支持我们在太阳系的活动。我们呼吸中排出的气体主要是氮气、二氧化碳和氧气。在目前已知的一些微藻类中,有七十多种可以固氮的品类,这些蓝藻在固氮的同时释放氧气,也是一种可以支持人类深空探索的方式。虽然设定的这些条件比较理想化,但是科学的发展正是基于这些理想化的设定,才有了现在这些日新月异的变化,这也是未来科研研究的目标与动力。

拥有数十亿生命的古老海藻,支持和喂养了无数的生命,在地球演化的岁月中,迎来送往了各式各样的时代变迁。在技术更迭飞快的现代,我们借助工具得以更加深入的探索和开拓微藻,这个古老的生命也会继续支撑着我们走向绿色,走向可持续的未来,走向深空。

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