土壤里的细菌会在缺少食物的极端困境下，摄入空气里的微量氢气来补给能量。这听起来非常神奇，却也是不争的科学事实。实际上，细菌每年从大气中去除7000万吨氢气，这一过程塑造了我们所呼吸的空气成分。

2023年3月8日，《自然》杂志发表一项新工作，介绍了一种能使某些细菌消耗氢气并从中摄取能量的酶，更有意思的是，这个过程能直接产生电流。人类能从中获得什么？

新论文的作者、澳大利亚蒙纳士大学的研究团队指出，他们分离得到的“氢电微生物酶”未来有望给很多设备提供动力。

在论文刊发的同一天，蒙纳士大学团队也于科学媒体《对话》（The Conversation）撰文科普了微生物酶“化氢为电”的故事。以下是对文章内容的编译。

氢气发电，刻进细菌基因里

我们发现一种名为耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）的土壤细菌能消耗空气里的氢气，并分析了它的遗传密码。

遗传信息告诉我们，有一台分子产能机器被写入了耻垢分枝杆菌的基因组。这台机器叫做“氢化酶”（hydrogenase），我们简称其为Huc。

分离自耻垢分枝杆菌的Huc酶

氢气是最简单的分子。两个带正电的质子通过两个带负电的电子形成共价键而结合，便构成了氢气。而Huc酶打破了这个键，质子分开，电子释放。

这些自由电子在细菌体内流入所谓“电子传递链”（electron transport chain），并被利用，为细胞供能。

换言之，Huc将氢气直接转化为了电流。

将氢电酶从细菌内取出来

氢气只占大气的0.5ppm，即0.00005%。在如此低的浓度下摄取利用某种气体是艰巨挑战，任何已知的催化剂都无法实现；此外，大气里丰富的氧气会毒化大多数酶的催化活性。

我们想知道Huc如何克服这些挑战，于是决定将其与耻垢分枝杆菌细胞分离。

分离过程很复杂。我们首先修改了细菌的基因，使它能制造Huc，然后在其制酶过程中，向Huc添加了个特定化学序列，从而令我们能够将酶与细菌分离。

在分离出高质量酶样品前，我们花费了几年时间，也遇到了很多死胡同。当然，好在最终得到的Huc的确质量相当高，非常稳定，可承受-80℃至80℃之间的温度而不损失活性。

接下来，我们开始认真研究氢化酶，了解其确切功能——它如何将空气里的氢气转化为可持续的电力来源？

需要指出的是，分离后的Huc所能吸收的氢气浓度，可以低到超乎想象，甚至低过正常空气里的氢气浓度，低到气相色谱仪无法检测。这意味着，利用该酶发电的条件非常易于实现。

此外，Huc完全不受氧气抑制，这是其他耗氢催化剂所不具备的特性。

Huc的结构示意图

借助电化学技术，我们证明氢化酶可将空气中超低浓度的氢气直接转化为电能，从而为电路供电。这是一项前所未有的成就。

酶促+空气，未来的动力

围绕氢化酶用氢发电的研究尚处于早期阶段，需克服一些技术挑战才能发挥Huc潜力。

一方面，我们应当大幅扩增Huc的生产规模。实验室里的Huc生产是毫克级别的，我们希望将其扩大到克，甚至是最终的公斤级别。

此外，Huc就像一个天然的电池，对于空气或人为添加的氢气，都能利用它们产生持续电流。

因此，在开发小型、可持续的空气能设备（替代太阳能）的方面，Huc具备相当大潜力。

艺术家描绘的Huc消耗空气中氢气的效果图

空气中氢气所提供的能量很少，但似乎也足以为生物识别监视器、时钟、LED球泡灯以及简单计算机等设备供电。有了更多氢气，Huc便可产生更大电力，也有望为更大设备提供动力。

另一方面的应用是开发基于Huc的生物电传感器用以检测氢气。这类传感器将非常灵敏，对于检测氢能基础设施或医疗系统的泄漏有着不可估量的潜在价值。

资料来源：

Electricity from thin air: an enzyme from bacteria can extract energy from hydrogen in the atmosphere

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