水与能源是一对冤家，无论是污水处理还是海水脱盐往往都需要消耗能量，而许多能源设备的运转又需要水的参与（比如冷却设备），同时获取干净水源与清洁能源是科学家们梦寐以求的目标之一。来自澳大利亚新南威尔士大学的Vicki Chen教授和侯经纬（Jingwei Hou）博士等人近期在Angew. Chem. Int. Ed. 杂志上发表了一项研究成果，他们成功利用了漆酶（laccase）降解有机污染物过程中的酶分子内电子转移过程实现了持续的电能输出，将污水中有机污染物作为“燃料”，同时实现了污水处理与发电过程。论文第一作者为Vicki Chen教授课题组博士生纪超（Chao Ji）。
事实上，酶燃料电池并不是一个新鲜的概念。酶催化的氧化还原反应都涉及电子的转移过程，因此，将不同的酶分别固定在阴极与阳极，两极分别发生氧化和还原过程，将电子转移过程转化为电能。不过，大部分的酶燃料电池需要两种不同的酶来实现这一过程。本文的作者们发现，在氧化还原酶的催化过程中，电子转移过程在单一酶中完成，也就是说，催化过程中酶自身就像是一个小的电池，只是缺乏手段将这些分子内的电子转移过程转化为电流。
受此启发，他们选择了一种常见且高效的氧化还原酶——漆酶作为电极的固定酶，双酚A（BPA）作为电池燃料，构建了仅有一种酶的燃料电池。需要指出的是，漆酶经常被用于染料及其他有害物质的降解过程，而BPA也是一种常见的水体污染物。实现氧化与还原过程分离的关键在于电池的设计。他们用一张质子交换膜将电池隔离成两半，一半通入氧气（正极液），另一半则通入氮气（负极液），漆酶则被固定在具有高比表面积和导电性的碳纳米管后再复合到碳毡上，用导线相连。然后，将BPA加入到负极液中。此时，BPA在负极漆酶的T1位点被氧化，电子通过漆酶传输到碳纳米管，再通过导线传输到另一边的正极，再在正极处漆酶的T2/T3位点参与氧气的还原反应。
这样的电池效率如何呢？在浓度为0.5 mM的BPA下，电压的峰值达到0.12 V，最大能量密度则为160 mW•m-2。同时，在闭合电路下，酶在12小时左右即可完成对98% BPA的降解。
不同条件下的能量效率以及污水处理效率。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
值得一提的是，这样的设计具有普适性，辣根过氧化物酶、甲酸脱氢酶、葡萄糖氧化酶，均能实现这样的单酶燃料电池。
这项研究首次表明，将单一氧化还原酶中的电子转移过程提取出来是有可能的。不仅如此，作者们利用同样的概念可通过甲酸脱氢酶将CO2生物转化为甲酸并同时发电，即实现了CO2的固定又能产生能源，这在未来也具有很大的应用前景。
当然，这样的电池能量密度较低，目前只是处于概念阶段，但是它们却为未来设计更为高效环保的新型生物电池提供了可能的思路。
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