史蒂文斯理工学院探索基于仿生共生原理的生物电源：石墨烯发电的仿生蘑菇

史蒂文斯理工学院探索基于仿生共生原理的生物电源：石墨烯发电的仿生蘑菇

美国科学家借助光合作用细菌、电极网络和一部3D打印机把蘑菇变成了生物电源。

虽然实际电量小的可怜，但他们只是用它来展示某种概念的潜力——“微观世界的不同生命形式之间实现功能性互补的仿生结构”——说明构建一种互惠的人工共生关系是完全可能的。

史蒂文斯理工学院的Manu Mannoor和Sudeep Joshi领导的团队开发出使用石墨烯发电的仿生蘑菇，想要为纽扣菇(双孢蘑菇)和蓝细菌建立起人工的共生关系；蓝细菌是一种单细胞微生物，可以进行光合作用。更准确地说，研究人员在蘑菇的帽子上添加了3D打印的蓝细菌簇，使真菌具有发电能力。他们还投入石墨烯纳米带来收集电流。

图片来源：史蒂文斯理工学院

蓝藻的惊人生产能力在生物工程界广为人知。然而，研究人员一直限制在生物工程系统中使用这些微生物，因为蓝藻在人工生物相容性表面上不能存活很长时间。 Mannoor和Sudeep Joshi是他实验室的博士后研究员，他想知道蘑菇是否可以为各种细菌提供适当的环境、营养、水分、pH和温度 ，蓝藻则可以为其提供更长的时期的电力。

“在这种情况下，我们的系统，这种仿生蘑菇能自己产生电力。”史蒂文斯机械工程助理教授Manu Mannoor说。 “通过整合能够产生电能的蓝细菌和能够收集电流的纳米级材料，我们能够更好地获得两者的独特性质，并创造一个全新的功能性仿生系统。”

Mannoor和Joshi表示，当放置在白色纽扣蘑菇的盖子上时，蓝藻细胞会持续数天，“这些蘑菇基本上是一种合适的环境基质，具有滋养能量产生蓝藻的功能。”Joshi说。 “我们首次展示了混合系统可以在两个不同的微生物王国之间进行人工合作和工程共生。”

图源：3ders.org

为了开发仿生蘑菇，Mannoor和Joshi使用基于机械臂的3D打印机首先打印含有石墨烯纳米带的“电子墨水”。这种印刷的分支网络通过像纳米探针一样充当蘑菇帽顶部的电力收集网络，以获取蓝藻细胞内部产生的生物电子。 Mannoor解释说，想象一下针刺入单个细胞内以获取其内部的电信号。

接下来，他们将含有蓝细菌的“生物墨水”以螺旋图案印刷到蘑菇帽上，所述螺旋图案在多个接触点处与电子墨水相交。在这些位置，电子可以通过蓝细菌的外膜转移到石墨烯纳米带的导电网络。照亮了蘑菇，激活了蓝藻的光合作用，产生了光电流。

除了在工程共生状态下长寿的蓝细菌外，Mannoor和Joshi表明这些细菌产生的电量可以根据它们的密度和排列方式而变化，这样它们的密集程度就越高，他们生产的电力越多。通过3D打印，可以组装它们，以便使用实验室移液器将其发电活性提高八倍于铸造的蓝细菌。

光照蘑菇，上面的蓝藻开始光合作用，产生约65纳安的电流。电流本身很小，但研究人员表示，如果增加蘑菇的数量，就可以产生足够大的电流来点亮LED，他们正在研究如何提高蘑菇的发电效率。

在《纳米快报》上刊发的论文中描述了他们的实验步骤。他们更加注重大的方向，而不是蘑菇本身。相信这种3D打印方法可用于组织起更加复杂的细菌，以实现有用的功能，例如生物发光。

“微生物世界被分为几个王国，其中引人注意的是，细菌和真菌王国通过共生互惠互利。”Mannoor及其同事写道，“通过选择性地和可控制地将微观世界中的不同物种组合起来，以创造性的手段来实现功能性仿生结构。如何将细菌的固有能力和功能拼接在一起，是未来发展中重要的工程挑战。”

实验中选用的生物组合并非随意选择的结果。

研究人员表示，蓝细菌拥有独特的光合作用能力，光子转化效率接近100％，而蘑菇是少数几种已经进化了数百万年的生物形式之一，具有“引人注目的生物模拟结构”。

蘑菇的菌盖可用于固定蓝藻菌落以有效地产生光合生物电，并且光合作用所需的水分子可通过蘑菇内的亲水性纤维条带的毛细作用递送至固定的蓝细菌处。

蘑菇的多孔结构便于水分子的转移，从而提供了必要的水通道。

研究人员写道：“通过探索合理的仿生共生体的存在形式，为两大微生物王国之间打起沟通的桥梁，实现可以发挥出更大优势的多维整合。”

“由于缺乏叶绿素色素，蘑菇缺少光合作用的能力，而蓝细菌补上了这一环。”

同时，蘑菇的生态结构提供了自给自足的生理条件，如潮湿的栖息地和稳定的营养来源，使蓝细菌能够存活更长时间。因此，这样的整合设计实现了互惠关系，可以被称之为“工程仿生共生结构”。