图片来源：Pixabay
你能想象用空气发电吗？这听起来像是科幻小说里的情节，一百年前甚至是刊登在报纸上的愚人节玩笑，但现在，科学家们真的要把它变成现实了。
撰文 | 黄雨佳
审校 | clefable
如果空气能用来发电，人类就可以摆脱对煤炭、石油等能源的依赖，不用担心污染和能源危机，更不会操心电费了。这听起来是不是很美好？1923年4月3日，苏联成立还不到半年的时间，美国《纽约时报》头版就刊登了一条新闻——《苏联宣称掌握空气能源，并视之为最伟大的发现》。
该报道称，苏联科学家菲古·波萨科夫（Figu Posakoff）发现了一种从大气中提取潜在能量的方法，这种能量通常只有在出现雷暴等极端天气时才会被释放出来。但波萨科夫却能用它来做惊人的事情，比如把“任何重量的物体扔几乎无限远”。
文章还煞有介事地说，这一研究仅在几周内就取得了惊人的成果，影响范围远至里海平原和西伯利亚，不过细节严格保密，乃苏联乌拉尔斯克市及周边地区被军事封锁的真正原因。虽然苏联声称只会将其用于和平目的，但仅仅是拥有这种可怕秘密武器的可能性，就足以让苏联碾压世界上所有其他国家了。
此消息一出，立刻引起了轰动。那时，一战刚结束，美国的经济蒸蒸日上，德国正面临战后的种种社会动荡和赔偿问题；而彼时距离石油工业诞生不过半个世纪，世界上第一个交流发电站投入使用也不过30年。在那个蒸汽机与电力带来巨大变革的时代，谁不想拥有更强大、更清洁、更便宜的能源呢？
可惜，这篇文章中声称的发明只是一个被当真了的玩笑。原来，这篇报道引用的是《德国汇报》（Deutsche Allgemeine Zeitung）上的一篇文章。显然，《纽约时报》的编辑们没能注意到这篇文章的发布时间——1923年4月1日，愚人节。不过，在一百年后的今天，这个愚人节玩笑可能真的要成为现实了。
《纽约时报》的头版文章（图片来源：The Museum of Hoaxes）
三十年大厦轰然倒塌
很久以前，科学家们就开始寻找利用空气中气体能源的方法。空气主要由氮气、氧气和少量的氩气组成，其余气体只占空气总体积的0.04%。这些气体被称作痕量气体，包括二氧化碳、氢气、一氧化碳、甲烷和臭氧等。如果我们能够利用这些气体中的能量，不仅可以解决能源短缺问题，还能保护环境，减少污染和温室效应。
那么，如何利用这些气体中的能量呢？用化学催化剂直接氧化空气中的痕量气体是很难的，不仅是因为这些痕量气体浓度太低，无法作为反应底物，而且空气中还有大量的氧气会干扰许多催化反应发生。
于是，科学家们想到了利用土壤中的微生物。痕量气体与土壤中微生物的生命活动密切相关，它们既能产生又会消耗痕量气体，并在氧化这些气体的过程中获得生命活动所需的能量。例如，土壤微生物每年会从空气中消耗吸收约1亿吨氢气，约占每年空气中氢气消耗量的75%。
然而，寻找能利用空气能量的微生物是一条漫长而曲折的道路。早在20世纪70年代，德国科学家拉尔夫·康拉德（Ralf Conrad）等人就发现，某些土壤表层的氢细菌能够氧化由下层土壤中的厌氧细菌产生的氢气。可是，这些细菌只能利用高浓度的氢气（10%-80%），而空气中的氢气浓度（0.000055%，即0.55ppm）远远达不到这一水平。
于是，这些科学家沮丧地得出结论：土壤分解大气中的氢气利用的是其他机制。康拉德后来甚至认为，是土壤中一种“非生物”的酶催化了大气中的氢气氧化。同样的困难也出现在寻找利用空气中一氧化碳和甲烷等气体的微生物研究上。
转机发生在2001年。这年5月，两名科学家发现了一种新型真菌，它能吸收利用低浓度的一氧化碳，但在高浓度的一氧化碳（>1%）条件下，这种能力会被抑制。这一发现让科学家们意识到了一个重要的事实：过去几十年，他们一直在寻找能够在高浓度的特定气体条件下生存的微生物，却忽略了那些能够适应低浓度环境的微生物。原来，不是能够利用空气中微量气体的微生物不存在，而是他们的实验设计有问题呀！
转变研究方法后，越来越多能利用痕量气体的微生物如雨后春笋般出现在科学家的视野中。2008年，两名科学家发现甲基孢囊菌（Methylocystis）中的两种酶能氧化空气中的甲烷。同年，另外几名科学家又分离出一种能利用大气中氢气的链霉菌。这下，康拉德所谓的土壤中非生物酶氧化大气中氢气的说法，也正式受到了挑战。
作为该领域曾经的开拓者，康拉德也开始研究链霉菌。他的团队发现，是链霉菌的孢子在摄取氢气。据康拉德团队的估算，每克土壤中只需有106-107个这种细菌，就足以解释土壤消耗氢气的能力。相较而言，一个70公斤的人体内大约有3.8×1013个细菌，平均每克体重含5.4×108个细菌。就这样，康拉德亲手推翻了自己花几十年建立的假说。
土壤微生物消耗大量大气中的氢气（图片来源：原论文）
随着研究越来越深入，科学家们发现，土壤中约72%的微生物种类可能都会从无机物中获得能量，甚至连生活在人类和动植物体内的许多病原微生物都会利用痕量气体。过去关于这种能力只属于微生物中少数群体的认知，彻底被打破了。不过，大部分细菌会同时利用环境中的有机和无机能源，并消耗好几种痕量气体。
甚至在沙漠和南极这样的极端环境中，利用痕量气体的微生物也扮演着重要角色。南极洲不仅有极端低温、强烈的紫外线和频繁的冻融，极昼和极夜的存在也使得环境中缺少利用阳光的自养生物，因此土壤中的碳源和氮源非常有限。但这一地区有着丰富的微生物能利用大气中的氢气和一氧化碳，并固定空气中的二氧化碳。它们作为这种极端环境中重要的初级能量生产者，直接影响了生态系统的演化和多样性。
从微生物到生物电池
所以，到底是什么酶如此强大，能利用空气中如此稀少的痕量气体，又如何将它们产生的能量为人所用呢？康拉德并未停下研究的步伐。2014年，在一篇发表于《美国科学院院刊》（PNAS）的研究中，他发现在一种名为耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）的放线菌中，两种氢化酶——Hhy和Huc——负责高效地催化氧化空气中的氢气。其他科学家也发现，一氧化碳、甲烷、异戊二烯等其他痕量气体，也有相应负责催化的酶存在。
以氢气为例，氢气首先会通过扩散作用进入细胞中。随后，细胞内的氢化酶会将氢气拆分成两对质子和电子，电子经过一系列受体，最终转移到氧气，同时质子则转移到细胞膜外形成质子浓度梯度。这个梯度将通过细胞膜上的ATP合酶转运至细胞内，将质子浓度梯度中的能量转移至合成的ATP中，从而用于细胞内的各种生命活动。
耻垢分枝杆菌能氧化空气中的氢气和一氧化碳（图片来源：原论文）
基于上述的原理，科学家们也将氢化酶应用到了生物电池的研究中。传统的电化学电池在阳极发生氧化反应，产生电子，然后通过导线运输形成电流，最后在阴极发生还原反应。如果电池的阳极是氢气等气体而非金属等固体材料，就成了燃料电池。因此，只要将这些微生物的氢化酶作为电池阳极的一部分，就能高效地利用空气中的氢气，源源不断地产生电流了。
原电池（左）和燃料电池（右）（图片来源：维基百科）
尽管目前对这种生物电池的研究还处于早期阶段，但曙光已经初现。据估计，平均每个细菌利用氢气产生能量的功率是2.2×10−15W，利用一氧化碳产能的平均功率是2.0×10−15W，而利用甲烷产能的平均功率是1.1×10−13W。耻垢分枝杆菌中的Huc氢化酶不仅可以高效地氧化氢气，还具有耐高温、耐低温的特性，稳定性极佳。因此，Huc有望在未来的某一天应用于生物电池，为小型电子设备供电。
一百年前的那个愚人节玩笑引起了轰动，但现在，我们真的在尝试利用来自空气的能源。虽然距离真正的空气发电还需要更多时间和努力，但自然界给予人类的灵感已经使我们离这一目标越来越近了。同时，农业和荒漠化对土壤特性的改变、环境污染对大气成分的破坏正威胁着许多土壤微生物的生存。清洁、环保、高效的能源不仅能降低人类生存的成本，也能保护自然界中的这些科学缪斯。
