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作者：记者 唐琳综合报道 来源： 发布时间：2019-3-5 20:58:30
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当科技世界里高大上的“奇迹材料”——石墨烯遇上随处可见的蓝藻，两者会迸发出怎样的火花呢？答案或许很难被猜到——一个会发电的仿生蘑菇。
这听起来像是“爱丽丝梦游仙境”中的奇幻故事，但由此产生的技术融合信息却对科学家们深入了解细胞生物机制以及改善医疗技术等产生了实实在在的推动作用。
近日，美国史蒂文斯理工学院的研究人员在《纳米快报》（Nano Letters）上，报道了蓝藻细胞与石墨烯纳米带在白色纽扣蘑菇上的无缝融合。研究人员通过整合能够产生电能的蓝藻和能够收集电流的纳米级材料，成功创建出一个全新的功能性仿生系统，从而架起了三维空间中微生物王国（蓝藻和蘑菇）与智能电子纳米材料（石墨烯纳米带）之间沟通的桥梁。
研究人员们深信，这种被他们称之为“细菌纳米仿生学”的方法将会促进下一代专门设计的“生物混合”功能结构的开发，使其在传感器和“智能”水凝胶材料领域开拓出更为广阔的应用前景。
为蓝藻延寿命
蓝藻又名蓝绿藻、蓝细菌，是一类进化历史悠久、能进行产氧性光合作用的大型单细胞原核生物。蓝藻广泛分布于自然界，包括各种水体、土壤和部分生物体内外，甚至在岩石表面以及其他恶劣环境如高温、低温、盐湖、荒漠和冰原中都可以找到它们的踪迹，有着“先锋生物”的美称。
蓝藻的功劳有目共睹：它是最早的光合放氧生物，其对推动地球表面从无氧大气环境向有氧环境转变起到了巨大作用。另外，不少蓝藻可以直接固定大气中的氮，从而提高土壤肥力，增加作物产量。
而在生物工程领域中，蓝藻的发电能力更是众所周知，并且兼具廉价、易获取、有益于环境等显著优势。然而，研究人员在生物工程系统中使用这些微生物时却受到了限制——蓝藻在人工生物兼容界面上存活的时间并不长，可以说极短的生命周期限制了它在电力领域的进一步应用。
因此，要想充分发掘蓝藻的发电潜能，首先就要克服其寿命短暂的“软肋”。于是，研究人员开始将目光锁定在天然的生物相容表面——美丽的白色纽扣蘑菇因此进入他们的视野。
白色纽扣蘑菇拥有丰富的微生物种群，但却不包含蓝藻。于是研究人员试图弄清这种蘑菇能否为蓝藻提供一个适合的生存环境——营养、水分、pH和温度，从而让蓝藻能够长时间发电。
功夫不负有心人。进一步的研究显示，这些纽扣蘑菇能够起到滋养作用，从而实现不同种微生物的共生——尤其是与硅胶和已采摘下来的蘑菇相比，蓝藻能够在活体白色纽扣蘑菇的表面多存活几天。
“从本质上来讲，蘑菇是一种非常适宜的环境基质，能够促进蓝藻制造能量。我们首次证实了一个混合型系统能够在两个不同微生物之间进行共生设计，并可以制造出电能。”此项研究的共同作者、史蒂文斯理工学院博士后研究员Sudeep Joshi表示。
两种打印墨水
接下来，研究人员要做的就是施展“魔法”，将蓝藻、蘑菇以及石墨烯纳米带这三种元素结合起来。
首先，研究人员使用基于机械手臂的3D打印机，打印出包含石墨烯纳米带的“电子墨水”。这种打印分支网络可以作为蘑菇盖顶部的电子收集网络，其作用就像纳米探针一样，负责连接蓝藻产生的生物电子。
涂抹好“电子墨水”之后，研究人员再在白色纽扣蘑菇的表层涂上一层3D打印的包含蓝藻的“生物墨水”，让呈螺旋状的“生物墨水”与“电子墨水”通过多个接触点结合在一起。
“这些石墨烯纳米带与蓝藻细胞的外膜形成了大量的直接物理连接位点，想象一下，就像探针插入每一个细菌细胞内来获取它内部的电信号。”Joshi解释说。
之后的一切变得水到渠成：当光照射在覆盖着石墨烯纳米带的蘑菇菌冠上时，蓝藻细胞开始进行光合作用，电子在水分子分解期间作为副产物被释放出来。与此同时，附着于蓝藻上的石墨烯纳米带充当导电网络，将这些电子转移到电化学电池装置的外部电路中。
除了蓝藻能够较长时间存活于这个共生设计环境之外，史蒂文斯理工学院机械工程学副教授Manu Mannoor还发现，蓝藻产生的电流数量取决于它们的排列密度：蓝藻越密集，产生的电能就越多，通过3D打印技术就能将它们有效地组合起来，使其产生的电流强度达到实验室吸液管中蓝藻的8倍。
其实早在这之前，以蓝藻作为墨水用来发电的创意就已经诞生。
2017年，英国研究人员曾将蓝藻当作墨水，使用一种普通的喷墨打印机将它打印到导电碳纳米管上，然后再将这些碳纳米管喷墨打印到一张纸上来蚀刻出简单的电池。这些细菌在这一过程中幸存下来，并且能够在白天黑夜的循环中连续供应电能达到100小时，从而消除了传统太阳能电池对于太阳光的依赖。
然而，利用蓝藻或者藻类将光线转变成电能的生物太阳能电池技术并未真正获得利用，成本、低输出和短寿命等都成为阻碍这项技术走向大规模产业化应用的绊脚石。
前途无限光明
仿生学是指科学家们研究生物体结构与功能工作的原理，然后根据这些原理发明出新的设备、工具和科技，创造出适用于生产、生活和学习的先进技术，它是连接生物与技术的桥梁。
史蒂文斯理工学院的研究人员对3D打印细菌仿生技术的未来充满信心。
“这项工作可能成为下一代生物混合应用的巨大机遇，比如一些细菌可以发光，而另一些细菌能够探测到毒素或者制造燃料。通过这些微生物与纳米材料的完美结合，我们会发现许多令人惊叹的生物混合设计，继而用于环境、防御、医疗和其他领域。”Mannoor表示。
除此之外，“我们相信，我们目前研究开发出的技术也可以扩展到利用智能水凝胶材料3D打印其他细菌菌落上，以推进仿生集成研究。此外，我们设想能否利用这种3D打印‘细菌纳米仿生学’方法以复杂的排列方法组织不同菌种，来研究影响其他细菌社会行为（如生物发光和感知毒性）的空间和环境参数”， Joshi如是说。
在这些方面，Joshi和他的同事将继续把他们的方法应用于监测和操纵其他菌种的空间几何特征和种群密度上。具体而言，他们将重点关注存在于人类内脏、皮肤、肠道和口腔中的微生物群。
“这些微生物群中的种群密度与个体的健康和福祉息息相关。我们特别期待有朝一日可以通过‘细菌纳米仿生学’来改造人体的微生物群，从而为人类保驾护航。”Joshi最后补充说。■
《科学新闻》 (科学新闻2019年2月刊 能源)
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