水與能源是一對冤家，無論是污水處理還是海水脫鹽往往都需要消耗能量，而許多能源設備的運轉(zhuǎn)又需要水的參與（比如冷卻設備），同時獲取干凈水源與清潔能源是科學家們夢寐以求的目標之一。來自澳大利亞新南威爾士大學的Vicki Chen教授和侯經(jīng)緯（Jingwei Hou）博士等人近期在Angew. Chem. Int. Ed. 雜志上發(fā)表了一項研究成果，他們成功利用了漆酶（laccase）降解有機污染物過程中的酶分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移過程實現(xiàn)了持續(xù)的電能輸出，將污水中有機污染物作為“燃料”，同時實現(xiàn)了污水處理與發(fā)電過程。論文第一作者為Vicki Chen教授課題組博士生紀超（Chao Ji）。
事實上，酶燃料電池并不是一個新鮮的概念。酶催化的氧化還原反應都涉及電子的轉(zhuǎn)移過程，因此，將不同的酶分別固定在陰極與陽極，兩極分別發(fā)生氧化和還原過程，將電子轉(zhuǎn)移過程轉(zhuǎn)化為電能。不過，大部分的酶燃料電池需要兩種不同的酶來實現(xiàn)這一過程。本文的作者們發(fā)現(xiàn)，在氧化還原酶的催化過程中，電子轉(zhuǎn)移過程在單一酶中完成，也就是說，催化過程中酶自身就像是一個小的電池，只是缺乏手段將這些分子內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移過程轉(zhuǎn)化為電流。
受此啟發(fā)，他們選擇了一種常見且高效的氧化還原酶——漆酶作為電極的固定酶，雙酚A（BPA）作為電池燃料，構(gòu)建了僅有一種酶的燃料電池。需要指出的是，漆酶經(jīng)常被用于染料及其他有害物質(zhì)的降解過程，而BPA也是一種常見的水體污染物。實現(xiàn)氧化與還原過程分離的關(guān)鍵在于電池的設計。他們用一張質(zhì)子交換膜將電池隔離成兩半，一半通入氧氣（正極液），另一半則通入氮氣（負極液），漆酶則被固定在具有高比表面積和導電性的碳納米管后再復合到碳氈上，用導線相連。然后，將BPA加入到負極液中。此時，BPA在負極漆酶的T1位點被氧化，電子通過漆酶傳輸?shù)教技{米管，再通過導線傳輸?shù)搅硪贿叺恼龢O，再在正極處漆酶的T2/T3位點參與氧氣的還原反應。
這樣的電池效率如何呢？在濃度為0.5 mM的BPA下，電壓的峰值達到0.12 V，最大能量密度則為160 mW?m-2。同時，在閉合電路下，酶在12小時左右即可完成對98% BPA的降解。
不同條件下的能量效率以及污水處理效率。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.
值得一提的是，這樣的設計具有普適性，辣根過氧化物酶、甲酸脫氫酶、葡萄糖氧化酶，均能實現(xiàn)這樣的單酶燃料電池。
這項研究首次表明，將單一氧化還原酶中的電子轉(zhuǎn)移過程提取出來是有可能的。不僅如此，作者們利用同樣的概念可通過甲酸脫氫酶將CO2生物轉(zhuǎn)化為甲酸并同時發(fā)電，即實現(xiàn)了CO2的固定又能產(chǎn)生能源，這在未來也具有很大的應用前景。
當然，這樣的電池能量密度較低，目前只是處于概念階段，但是它們卻為未來設計更為高效環(huán)保的新型生物電池提供了可能的思路。
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