Bio-baterie: wytwarzanie energii z bakterii

zegar zasilany ziemniakami jest nostalgiczną retrospekcją z lekcji biologii z dzieciństwa większości z nas, ale niewielka grupa naukowców uważa, że generowanie energii elektrycznej z organizmów bakteryjnych może stać się realną opcją.

nowe spojrzenie na mechanikę nowego aspektu oddychania bakteryjnego może pomóc w przyspieszeniu rozwoju elektrowni mikrobiologicznych zdolnych do wytwarzania energii elektrycznej ze ścieków przemysłowych lub osadów morskich oraz fabryk bakterii, które produkują wysokowartościowe chemikalia i paliwa przy użyciu energii słonecznej i dwutlenku węgla.

ostatnie badania zgłoszone przez zespół Dr Toma Clarke ‘ a z Wydziału Nauk Biologicznych Uniwersytetu Wschodniej Anglii pokazały, jak tysiące maleńkich drutów molekularnych osadzonych na powierzchni bakterii o nazwie Shewanella oneidensis może bezpośrednio przesyłać prąd elektryczny do nieorganicznych minerałów, takich jak tlenki żelaza i manganu lub powierzchni elektrod. Zjawisko, znane jako bezpośredni zewnątrzkomórkowy transfer elektronów (DEET), występuje ze względu na sposób, w jaki niektóre bakterie żyjące w środowiskach pozbawionych tlenu eksportują elektrony, które są generowane przez ich cykl oddechowy. Przykłady obejmują Shewanella i niektóre gatunki innej bakterii znanej jako Geobacter.

oddychanie komórkowe występuje we wszystkich żywych organizmach i obejmuje cykliczne serie reakcji chemicznych, które zachodzą w komórkach organizmu, aby przekształcić energię biochemiczną pobraną jako żywność lub składniki odżywcze w źródło energii, które komórki mogą wykorzystać do zasilania wszystkich procesów biochemicznych, które przeprowadzają.

proces ten generuje nadmiar elektronów, które w większości organizmów są przekazywane do tlenu (wytwarzając wodę jako produkt uboczny) lub, w przypadku drobnoustrojów żyjących w środowisku beztlenowym, takim jak osady błotne, elektrony są przekazywane do innych jonów mineralnych pobranych przez komórkę. Naukowcy odkryli jednak w ostatnich latach, że szereg mikroorganizmów opracowało sposoby bezpośredniego eksportu nadmiaru elektronów z komórki. Robią to, przesuwając elektrony wzdłuż maleńkich drutów molekularnych, które wystają około 2,5 nm od powierzchni komórki.

mikrobiologiczne ogniwo paliwowe

wyhoduj te bakterie na elektrodzie i skutecznie skończysz z anodą połową akumulatora. Połącz tę anodę z katodą, nakarm bakterie substancją organiczną opartą na węglu, powiedzmy, ze ścieków przemysłowych, i możesz zbudować mikrobiologiczne ogniwo paliwowe, lub MFC, które wytwarza energię elektryczną, choć w małych ilościach.

Shewanella oneidensis, bakteria, która rozwija się w środowiskach zanieczyszczonych metalami ciężkimi, jest jednym z organizmów, które wykazują tę zdolność przenoszenia elektronów, a praca grupy Clarke ‘ a w UEA, współpracując z zespołem w amerykańskim Departamencie energii (DOE) Pacific Northwest National Laboratory, pokazała, w jaki sposób druty molekularne Shewanelli mogą transportować elektrony z komórki na odpowiednią powierzchnię, na której bakteria rośnie.

“wyniki naszych eksperymentów były uderzające”, twierdzi dr Clarke. “Te bakteryjne przewody są skutecznie jak okablowanie w domu. Prąd płynął do tyłu i do przodu niezwykle szybko i znacznie szybciej niż jest to potrzebne do oddychania.”

wykorzystanie Shewanelli jako źródła energii elektrycznej na skalę odpowiednią do zaorania energii elektrycznej z powrotem do krajowego systemu sieci prawdopodobnie nie będzie możliwe, po prostu dlatego, że organizmy nie generują wystarczającej ilości prądu, kontynuuje dr Clarke. Jednak ich zdolność do oddawania elektronów metalom i minerałom może być wykorzystana do zastosowań bioremedialnych, takich jak redukcja rozpuszczalnych metali ciężkich obecnych w glebie do postaci nierozpuszczalnych, które nie mogą przedostać się do wód gruntowych. Jest to jeden z kierunków badań, które badacze Pacific Northwest Laboratory prowadzą.

ale co jeszcze bardziej ekscytujące, twierdzi, To potencjał wykorzystania odwrotnego procesu: wprowadzenie elektronów z powrotem do bakterii, takich jak Shewanella przez przewody, i genetycznie inżynierii mikroorganizmów do użytecznych związków, w tym paliw i prekursorów polimerów, bezpośrednio z dwutlenku węgla.

znana jako elektrosynteza drobnoustrojów, jest to w zasadzie sztuczna fotosynteza, która polega na tym, jak rośliny wytwarzają cukry ze światła słonecznego, CO2 i wody. Ale zamiast samego światła słonecznego, bakterie przyjmą elektrony jako źródło energii, których używają do produkcji związków węglowych z CO2.

możliwe jest już komercyjnie “hodowanie” fotosyntetycznych glonów jako sposobu wytwarzania związków, które można przekształcić w paliwa lub inne produkty. Jednak, jak zauważa Clarke, takie podejście pochłania duże obszary ziemi i wiąże się z degradacją środowiska. W przeciwieństwie do tego, elektrosynteza drobnoustrojów może być wykorzystana wszędzie tam, gdzie jest światło słoneczne, za pomocą paneli fotowoltaicznych do zasilania bakterii oraz źródła wody i gazu CO2 (przemysłowy Gaz odlotowy zrobi ładnie), aby karmić bakterie, aby mogły wytwarzać produkty oparte na węglu.

Elektrosynteza jako technologia różni się również od stosowania innych bakterii, takich jak Escherichia coli i fermentacji drożdży, do produkcji związków chemicznych. “Genetycznie zmodyfikowane bakterie i drożdże są szeroko stosowane w warunkach komercyjnych do produkcji białek i innych związków, półproduktów, a nawet leków, ale nie fotosyntezują, więc trzeba je napełnić jakimś cukrem, co zwiększa koszty procesu”, wyjaśnia Clarke. “Natomiast energia elektryczna jest tania, a CO2 jest produktem odpadowym wielu procesów przemysłowych i spalania paliw kopalnych. Jeśli uda nam się zasilać elektronami bakterie takie jak Shewanella, np. umieszczając je na elektrodach podłączonych do paneli słonecznych i dając im CO2 jako źródło węgla, moglibyśmy wykorzystać ten sztuczny proces fotosyntetyczny do wytworzenia produktów o wysokiej wartości.”

sytuacja korzystna dla środowiska

wykorzystanie zdolności Shewanella i innych mikroorganizmów do przekazywania elektronów do iz elektrod (a tym samym urządzeń, do których są podłączone) jest dziedziną znaną jako elektromakrobiologia. “Z punktu widzenia środowiska jest to sytuacja korzystna dla obu stron”, mówi profesor Korneel Rabaey z Wydziału Technologii biochemicznych i mikrobiologicznych Uniwersytetu w Gandawie.

wcześniej założyciel Centrum Elektrosyntezy drobnoustrojów na Uniwersytecie Queensland, profesor Rabaey odegrał kluczową rolę we wdrożeniu pilotażowego systemu mikroorganizmów bioelektrochemicznych (BES) w browarze Foster ‘ s W Yatala, Queensland, pięć lat temu. Ta instalacja pilotażowa wykorzystywała bakterie do wytwarzania energii elektrycznej z własnych ścieków browaru i produkowała sodę kaustyczną, której Browar potrzebuje w dużych ilościach do czyszczenia zbiorników. Podobny projekt pilotażowy został ustanowiony w zakładzie produkującym papier w celu wytworzenia nadtlenku wodoru wymaganego w procesie produkcyjnym.

Prace Uniwersytetu Queensland doprowadziły dodatkowo do stworzenia firmy spin-out, Bilexys, która opracowuje systemy bioelektrochemiczne, które łączą Oczyszczanie ścieków z komercyjną produkcją chemikaliów. “Te instalacje pilotażowe pokazują, że koncepcja będzie działać w realnym świecie i może zapewnić przemysłowi opcje wytwarzania chemikaliów wymaganych na miejscu, przy bardzo małym poborze energii, a dodatkową korzyścią jest jednoczesne oczyszczanie odpadów”, komentuje prof. Rabaey. “Wraz z pojawieniem się kolejnych instalacji pilotażowych, technologia ta będzie postrzegana jako ekonomicznie opłacalna i będzie stymulować dalszy rozwój nowych procesów.”

Biofabryki zasilane elektronami

ważne jest rozróżnienie między ogólną koncepcją wykorzystania bakterii do oczyszczania ścieków, a wykorzystaniem syntezy bioelektrochemicznej przez organizmy takie jak Shewanella, prof Rabaey podkreśla. “Oczyszczanie ścieków za pomocą bakterii beztlenowych w celu rozbicia zawartości organicznej jest dobrze znane i szeroko stosowane do produkcji biogazu bogatego w Metan.”W samej tylko Europie istnieje ponad 3000 zakładów, które produkują biogaz w ten sposób, wykorzystując mieszankę bakterii, które mogą rozkładać złożone związki węgla na coraz mniejsze składniki, podkreśla.

“nie możemy jeszcze produkować czystych, wysokowartościowych chemikaliów ze ścieków, i to właśnie tam bioelektrochemiczna synteza bakterii takich jak Shewanella może zrewolucjonizować produkcję paliw, Biopolimerów i innych substancji ze ścieków, wykorzystując tylko tanie źródła energii elektrycznej. Bakterie mogą już wytwarzać małe cząsteczki, ale mamy nadzieję, że genetycznie zaprojektujemy mikroorganizmy tak, aby produkowały bardziej złożone cząsteczki, w taki sam sposób, w jaki teraz możemy zaprojektować drożdże i bakterię E. coli jako biofabryki. Jednak dzięki syntezie bioelektrochemicznej nie musimy podłączać cukrów do organizmów jako bloków budulcowych do wytworzenia produktu końcowego.”

prace nad tym celem są jednak wciąż w powijakach. “Z jednej strony mamy bakterie, takie jak Shewanella, które mogą przeprowadzać Sztuczną fotosyntezę przy użyciu taniej energii elektrycznej, ale które mogą obecnie wytwarzać tylko ograniczoną gamę użytecznych związków”, mówi prof. Rabaey. “Z drugiej strony mamy arsenał mikroorganizmów-takich jak E. coli i drożdże – które mają biologiczną maszynę niezbędną do produkcji dużej liczby użytecznych związków i które można stosunkowo łatwo zaprojektować, ale które nie wykazują maszyn do przesyłania elektronów wymaganych do ich zasilania energią elektryczną.”

prace nad rozwojem technologii, które pozwolą naukowcom modyfikować akceptujące elektrony gatunki bakterii, w tym Shewanella, Geobacter i gatunki bakterii Clostridium, są pionierskie przez profesora Dereka Lovleya z Uniwersytetu Massachusetts (UMass) w Amherst, który odkrył pierwszy gatunek Geobacter, znany jako Geobacter metallireducens, w osadach piasku w rzece Potomac w 1987.

przewodność bakteryjna

profesor Lovley kieruje projektem Geobacter (www.geobakter.org) w UMass, która bada zarówno możliwości wytwarzania energii elektrycznej-tj. mikrobiologiczne ogniwo paliwowe – jak i elektrobiosyntetyczne bakterii. Geobakter przoduje w wytwarzaniu energii elektrycznej, ale myśl prof. Lovleya odzwierciedla poglądy Clarke ‘a i Rabaey’ a, ponieważ uważa, że jest mało prawdopodobne, abyśmy zobaczyli rozwój oczyszczalni ścieków opartych na Geobakterach lub Shewanella, które wytwarzają duże ilości energii elektrycznej jako produkt uboczny. “Nasza praca nad mikrobiologicznymi ogniwami paliwowymi dotyczy głównie projektów finansowanych przez amerykańskie Biuro Badań morskich, które zajmują się zbieraniem energii elektrycznej z błota na dnie oceanu w celu uruchomienia urządzeń monitorujących, które wymagają tylko niewielkiej mocy.”

jednym z potencjalnych zastosowań zdolności wytwarzania energii elektrycznej przez Geobacter może być rozwój bioelektrycznych czujników związków organicznych, sugeruje prof. Lovley. “W tego typu czujnikach bakterie byłyby sprzężone z elektrodą, a pozytywny wynik byłby zarejestrowany jako mały prąd elektryczny.”Jest to przypadek myślenia, jak wykorzystać możliwości wytwarzania energii elektrycznej odpowiednich organizmów na mniejszą, a nie większą skalę. “Zastosowania, w których nie trzeba generować dużej mocy, stanowią dobre możliwości dla mikrobiologicznych ogniw paliwowych i organizmów, które mogą przeprowadzać DEET.”

zastosowania bioremediacji są natomiast wielorakie, podkreśla prof. Jeden z projektów UMass, we współpracy z firmami naftowymi, ma na celu wykorzystanie zdolności Geobakter do utleniania materii organicznej jako sposobu usuwania zanieczyszczeń węglowodorowych z gleby i wód gruntowych. Prace zespołów UMass oddzielnie próbują mapować kod genetyczny różnych gatunków Geobakterii, a to powinno pomóc przewidzieć, jak bakterie będą zachowywać się w różnych warunkach środowiskowych i umożliwić naukowcom określenie najlepszych szczepów aktywności organizmu, takich jak usuwanie określonych zanieczyszczeń.

badania UMass nad procesem elektrosyntezy (wprowadzenie elektronów z powrotem do bakterii) koncentrują się na innych mikroorganizmach, takich jak gatunki Clostridium, które wydają się znacznie lepiej nadawać niż Geobaktery do zastosowań, w których organizmy są napędzane elektronami do wytwarzania produktów z dwutlenku węgla, dodaje prof. Lovley. “Geobakter jest lepszym z dwóch organizmów do wytwarzania energii elektrycznej, podczas gdy Clostridium doskonale nadaje się do zastosowań elektrosyntetycznych.”

naukowcy nie wiedzą jednak jeszcze, w jaki sposób Clostridium dostaje elektrony do i z komórki. Organizm nie wytwarza przewodów molekularnych, takich jak Shewanella i Geobacter. “Clostridium wydaje się mieć zupełnie inną chemię zewnętrzną niż Shewanella, a odkrycie, jak to działa, jest czymś, co mamy nadzieję osiągnąć w nadchodzących latach”.

Optymalizacja bioprodukcji

jeden z wielkich przełomów technologicznych zespołu UMass nastąpił w zeszłym roku, wraz z opracowaniem platformy bioinżynieryjnej, która pozwoli naukowcom genetycznie modyfikować gatunki Clostridium, tak aby mikroorganizm wykorzystywał CO2 i energię elektryczną do produkcji bardzo prostych związków organicznych i przekształcania ich w bardziej skomplikowane węglowodory. “To ten sam podstawowy pomysł, co manipulowanie innymi bakteriami, polegający na tym, że można pobrać niektóre geny i wprowadzić inne, aby skierować komórkę do produkcji pożądanego związku lub zrobić prekursor lub budulec, który można łatwo zmodyfikować w produkt końcowy.”

Co więcej, Dalsze wgląd w strukturę nanofilamentów wytwarzanych przez gatunki takie jak Geobacter i Shewanella może utorować drogę do rozwoju mikrokrążenia opartego na biologicznym okablowaniu jako zupełnie nowego podejścia do łączenia biologii z elektroniką. Na przykład, jak sugeruje prof. Lovley, stwierdzono, że Geobakter wykazuje właściwości tranzystorowe i może działać jako superkondensatory do przechowywania elektronów.

” To nadaje się do uprawy mikrobiologicznych komponentów elektronicznych z niedrogich surowców, do masowej produkcji. Przewody mikrobiologiczne są wyjątkowo trwałe dla białka biologicznego, a bioelektronika ma dodatkową zaletę funkcjonalności w wodzie.”Jednak, jak podkreśla, praktyczne zastosowania takich technologii są nadal na etapie koncepcyjnym.

czy te mikroorganizmy zamieszkujące błoto i glebę stanowią obietnicę taniej energii dla wszystkich? Wydaje się mało prawdopodobne, aby DEET realnie ugasił światowe pragnienie elektryczności, chociaż zdolność tych bakterii do generowania prądu elektrycznego może okazać się przydatna do opracowywania bioczujników opartych na mikrobiologicznych ogniwach paliwowych i biobaterii na małą skalę. Znacznie bardziej prawdopodobne jest to, że Geobakterie, Clostridium i Shewanella będą miały znacznie bardziej powszechne i opłacalne komercyjnie zastosowania w takich dziedzinach, jak bioremediacja i oczyszczanie ścieków oraz synteza cennych związków przemysłowych, półproduktów i paliw.

zegar zasilany ziemniakami jest nostalgiczną retrospekcją z lekcji biologii z dzieciństwa większości z nas, ale niewielka grupa naukowców uważa, że generowanie energii elektrycznej z organizmów bakteryjnych może stać się realną opcją. nowe spojrzenie na mechanikę nowego aspektu oddychania bakteryjnego może pomóc w przyspieszeniu rozwoju elektrowni mikrobiologicznych zdolnych do wytwarzania energii elektrycznej ze ścieków przemysłowych lub…

zegar zasilany ziemniakami jest nostalgiczną retrospekcją z lekcji biologii z dzieciństwa większości z nas, ale niewielka grupa naukowców uważa, że generowanie energii elektrycznej z organizmów bakteryjnych może stać się realną opcją. nowe spojrzenie na mechanikę nowego aspektu oddychania bakteryjnego może pomóc w przyspieszeniu rozwoju elektrowni mikrobiologicznych zdolnych do wytwarzania energii elektrycznej ze ścieków przemysłowych lub…

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.