Bio-baterie: vytváření energie z bakterie

brambory-powered clock je nostalgická vzpomínka z dětství hodinách biologie většiny z nás, ale malá skupina vědců věří, že výrobu elektřiny z bakteriální organismy by se mohl stát životaschopnou možností.

Nový vhled do mechaniky román aspekt bakteriální respirace by mohl pomoci urychlit vývoj mikrobiální elektrárny, který je schopen generovat elektřinu z průmyslových odpadních vod nebo mořského dna sedimenty, a bakteriální továrny, které vyrábějí vysoce hodnotných chemických látek a paliv pomocí solární energie a oxidu uhličitého.

Nedávný výzkum uvádí Dr. Tom Clarke je tým na University of East Anglia je Oddělení Biologických Věd ukázala, jak tisíce drobných molekulární dráty vložené do povrchu bakterie zvané Shewanella oneidensis můžete přímo přenášet elektrický proud na anorganických minerálních látek, např. železa a oxidů manganu, nebo na povrchu elektrody. Tento jev, známý jako přímý extracelulární přenos elektronů (DEET), nastává kvůli způsobu, jakým některé bakterie žijící v prostředích postrádající elektrony exportu kyslíku, které jsou generovány jejich respiračním cyklem. Příklady zahrnují Shewanella a některé druhy jiné bakterie známé jako Geobacter.

Buněčné dýchání se vyskytuje ve všech živých organismech, a zahrnuje cyklické série chemických reakcí, které probíhají uvnitř těla buňky převést biochemické energie přijata jako potraviny nebo živiny do zdroje energie, kterou buňky mohou proniknout do k napájení všech biochemických procesů, které provádějí.

Tento proces generuje přebytečné elektrony, které, ve většině organismů, jsou předávány na kyslík (generování vodu jako vedlejší produkt) nebo, v případě, že mikroby žijící prostředí bez kyslíku-jako bahno, sedimenty, elektrony jsou předány do další minerální ionty pořízené v buňce. Vědci však v posledních letech zjistili, že řada mikroorganismů vyvinula způsoby přímého exportu přebytečných elektronů z buňky. Dělají to tím, že pendlují elektrony podél malých molekulárních drátů, které vyčnívají asi 2, 5 nm od povrchu buňky.

mikrobiální palivový článek

pěstujte tyto bakterie na elektrodě a efektivně skončíte s anodovou polovinou baterie. Pár toto anody ke katodě, krmit bakterie na bázi uhlíku, organické hmoty, řekněme, z průmyslových odpadních vod, a můžete vytvořit mikrobiální palivové články, nebo MFC, které vyrábí elektřinu, i když v malém množství.

Shewanella oneidensis, bakterie, které se daří v prostředích kontaminovaných těžkými kovy, je jedním z organismů, který zobrazuje tento elektron-pendluje schopnosti, a práce tím, že Clarke je skupina na UEA, spolupracuje s týmem na AMERICKÉ Ministerstvo Energetiky (DoE) Pacific Northwest National Laboratory, ukázala, jak Shewanella molekulární dráty mohou transportu elektronů ven z buňky na vhodný povrch, na kterém bakterie roste.

“výsledky našich experimentů byly zarážející,” tvrdí doktor Clarke. “Tyto bakteriální dráty jsou účinně stejně jako kabeláž v domě. Proud tekl dozadu a dopředu neuvěřitelně rychle a mnohem rychleji, než je potřeba pro dýchání.”

Využití Shewanella jako zdroj elektrické energie v rozsahu, vhodný pro orbu elektřiny zpět do národní sítě systém pravděpodobně nebude možné, jednoduše proto, že organismy nejsou generovat dostatek proudu, Dr. Clarke pokračuje. Nicméně, jejich schopnost poskytovat elektrony pro kovy a minerály mohou být využity pro bioremedial aplikací, jako je redukce rozpustných těžkých kovů přítomných v půdě do nerozpustných forem, které nemůže unikat do podzemních vod. To je jedna z cest výzkumu, který vědci z Pacific Northwest Laboratory sledují.

ale co je ještě více vzrušující, tvrdí, je potenciál využít opačný proces: uvedení elektrony zpět do bakterií, jako jsou Shewanella přes dráty, a geneticky inženýrství mikroorganismů, aby se užitečné sloučeniny, včetně paliv a polymerních prekurzorů, přímo z oxidu uhličitého.

známý jako mikrobiální elektrosyntéza, je to v podstatě umělá fotosyntéza, což je způsob, jakým rostliny vytvářejí cukry ze slunečního světla, CO2 a vody. Ale spíše než samotné sluneční světlo budou bakterie přijímat elektrony jako zdroj energie, který používají k výrobě sloučenin na bázi uhlíku z CO2.

je již komerčně možné “chovat” fotosyntetické řasy jako prostředek k výrobě sloučenin, které lze přeměnit na paliva nebo jiné produkty. Jak však zdůrazňuje Clarke, tento přístup pohlcuje velké plochy půdy a je spojen s degradací životního prostředí. V kontrastu, mikrobiální electrosynthesis mohl reálně být využívány všude tam, kde je slunečního záření pomocí fotovoltaických panelů pro napájení bakterie, a zdroj vody a plynu CO2, (průmyslový odpadní plyn bude stačit) krmit bakterie tak mohou vyrábět výrobky na bázi uhlíku.

Elektrosyntéza jako technologie se také liší od použití jiných bakterií, jako je Escherichia coli, a kvašení kvasinek, pro výrobu chemických sloučenin. “Geneticky modifikované bakterie a kvasinky jsou široce využívány v obchodních nastavení k výrobě proteinů a dalších látek, meziproduktů a dokonce i léky, ale nemají fotosyntezovat, takže budete muset paliva je s cukrem nějakého druhu, který přidává značné náklady na proces,” Clarke vysvětluje. “Naproti tomu elektřina je levná a CO2 je odpadním produktem mnoha průmyslových procesů a spalování fosilních paliv. Pokud můžeme napájet bakterií, jako jsou Shewanella s elektrony, například tím, že je na elektrody napojen na solární panely, a dát jim CO2 jako zdroj uhlíku, bychom mohli reálně použít tento umělých fotosyntetických proces, vytvářet produkty s vysokou přidanou hodnotou.”

životního prostředí win-win situace

Využívání schopnosti Shewanella a jiných mikroorganismů, aby se projít elektrony a z elektrody (a tedy i zařízení, která jsou připojena k) je obor známý jako electromicrobiology. “Z hlediska životního prostředí je to oboustranně výhodná situace,” říká profesor Korneel Rabaey z Katedry biochemické a mikrobiální technologie univerzity v Gentu.

Dříve zakladatel Centra pro Mikrobiální Electrosynthesis na University of Queensland, Profesor Rabaey byl pomocný v realizaci pilotního měřítku mikrobiální bioelectrochemical systém (BES) závod v Pěstounské pivovaru v Yatala, Queensland, před pěti lety. Tento pilotní závod používal bakterie k výrobě elektrické energie z vlastní odpadní vody pivovaru, a produkovat louh sodný, které pivovar potřebuje ve velkém množství k čištění svých nádrží. Podobný pilotní projekt byl od té doby byla založena na papír výrobní závod, ke generování peroxidu vodíku potřebné ve výrobním procesu.

University of Queensland v práci má navíc vedl k vytvoření spin-out firmy, Bilexys, který se rozvíjí bioelectrochemical systémy, které pár čištění odpadních vod s komerčním měřítku výroby chemických látek. “Tyto pilotní rostliny prokázat, že koncept bude fungovat v reálném světě, a může poskytnout průmyslu s možností pro generování chemických látek potřebných na webu, s velmi malým vstupem energie, a navíc tu výhodu, čištění svých odpadních zároveň,” Prof Rabaey komentáře. “Jako více z těchto pilotních rostlin přijít na stream technologie, bude vidět jako komerčně životaschopná a dále podnítit rozvoj nových procesů.”

Biofactories powered by elektrony

je důležité rozlišovat mezi všeobecný koncept použití bakterií k vyčištění odpadních vod, a použití bioelectrochemical syntéza mikroorganismy, jako jsou Shewanella, Prof Rabaey zdůrazňuje. “Čištění odpadních vod pomocí anaerobní bakterie rozkládají organický obsah je dobře-uznávaných a široce používány k výrobě methanu bioplynu.”Ve skutečnosti existuje pouze v Evropě více než 3,000 XNUMX rostlin, které produkují bioplyn tímto způsobem, pomocí směsi bakterií, které mohou rozkládat složité sloučeniny uhlíku na stále menší složky, zdůrazňuje.

“Co můžeme ještě udělat, je výroba čisté, vysoké hodnoty chemických látek z odpadních vod, a to je místo, kde bioelectrochemical syntéza bakteriemi jako Shewanella by mohl způsobit revoluci ve výrobě paliv, biopolymerů a jiných látek z odpadních vod pomocí levných zdrojů elektřiny. Bakterie mohou již některé malé molekuly, ale doufáme, že geneticky inženýr mikroorganismy tak, že vytvářejí složitější molekuly, v podstatě stejným způsobem, že nyní můžeme inženýr kvasinky a bakterie E. coli jako biofactories. Při bioelektrochemické syntéze však nemusíme cukry vkládat do organismů jako stavební kameny pro výrobu konečného produktu.”

Práce na dosažení tohoto cíle je však stále v relativním dětství. “Na jedné straně máme bakterie, jako je Shewanella, které mohou provádět umělou fotosyntézu pomocí levné elektřiny, ale v současné době mohou vyrábět pouze omezený rozsah užitečných sloučenin,” říká profesor Rabaey. “Na druhou stranu máme arzenál mikroorganismy jako E. coli a kvasinky, které mají biologické stroje potřebné k výrobě velké množství užitečných sloučenin, a které mohou být vyvinuty relativně snadno, ale které se nezobrazují elektron-pendluje stroje nutné pro ně být poháněna elektřinou.”

Práce na vývoji technologií, které umožní vědcům upravit elektron-přijetí druhů bakterií, včetně Shewanella, Geobacter, a druhů bakterií Clostridium, je propagoval Profesor Derek Lovley na University of Massachusetts (UMass) v Amherst, který se objevil na prvním druhu Geobacter, známý jako Geobacter metallireducens, v písku, sediment v řece Potomac v roce 1987.

bakteriální vodivost

Profesor Lovley stojí v čele projektu Geobacter (www .geobacter.org) ve společnosti UMass, která zkoumá jak výrobu elektřiny-tj. mikrobiální palivový článek–, tak elektrobiosyntetické schopnosti bakterie. Geobacter vyniká na výrobu elektřiny, ale Prof Lovley myšlení odráží Clarke a Rabaey, že věří, že je nepravděpodobné, že budeme vidět vývoj Geobacter – nebo Shewanella na bázi odpadních vod, které generují velké množství elektrické energie jako vedlejší produkt. “Naše práce na mikrobiální palivové články se vztahuje v hlavní americký Úřad pro Námořní Výzkum financovaných projektů, které jsou při pohledu na sklizeň elektřiny z bahna na dně oceánu spustit monitorovací zařízení, které vyžadují pouze malou sílu.”

jednou z potenciálních aplikací kapacity geobacter na výrobu elektřiny by mohl být vývoj bioelektrických senzorů pro organické sloučeniny, navrhuje Profesor Lovley. “U tohoto typu senzoru by bakterie byly spojeny s elektrodou a pozitivní výsledek by byl registrován jako malý elektrický proud.”Je to případ přemýšlení, jak využít možnosti výroby elektřiny příslušných organismů v menším, spíše než větším měřítku. “Aplikace, kde nemusíte generovat velké množství energie, představují dobré příležitosti pro mikrobiální palivové články a organismy, které mohou provádět DEET.”

aplikace bioremediace jsou naproti tomu rozmanité, zdůrazňuje profesor Lovley. Jeden z UMass projekty, ve spolupráci s ropnými společnostmi, se snaží využít Geobacter je schopnost k oxidaci organické hmoty, jako prostředek odstraňování uhlovodíkových kontaminantů z půdy a podzemní vody. Práce na UMass týmy je samostatně pokusu o mapování genetického kódu různých Geobacter druhů, a to by mělo pomoci předpovědět, jak se bakterie budou chovat za různých podmínek prostředí, a umožňují vědci určit nejlepší kmeny organismu činností, jako je čištění specifických kontaminantů.

UMass výzkumu na proces electrosynthesis (uvedení elektrony zpět do bakterie) je soustředěn na jiné mikroorganismy, jako jsou například druhy Clostridium, které se objevují mnohem vhodnější než Geobacter pro aplikace, v nichž jsou organismy drženy palivo s elektrony vytvářet výrobky z oxidu uhličitého, Prof Lovley dodává. “Geobacter je lepší ze dvou organismů pro výrobu elektřiny, zatímco Clostridium je vhodný pro elektrosyntetické aplikace.”

vědci však ještě nevědí, jak Clostridium získává své elektrony dovnitř a ven z buňky. Organismus neprodukuje molekulární dráty jako Shewanella a Geobacter. “Clostridium vypadá, že má úplně jinou vnější chemii než Shewanella, a odhalení toho, jak to funguje, je něco, čeho doufáme, že v příštích letech dosáhneme”.

Optimalizace bioproduction

Jeden z UMass tým velký technologický průlom přišel v loňském roce, s rozvojem bioinženýrství platformu, která umožní vědcům geneticky upravit Clostridium druhů tak, že mikroorganismus bude používat CO2 a elektrické energie na výrobu velmi jednoduchých organických sloučenin a převést je do složitějších uhlovodíků. “Je to stejný nápad jako manipulování jiných bakterií, v které si můžete vzít některé geny ven a dát ostatním, aby přímé buňka k výrobě krmných chcete, nebo prekurzor nebo stavební blok, který může být snadno upraven do konečného produktu.”

Navíc, další vhled do struktury nanofilaments produkován druhy, jako jsou Geobacter a Shewanella by mohl vydláždit cestu k rozvoji microcircuitry na základě biologických zapojení jako zcela nový přístup k propojení biologie s elektronikou. Například, profesor Lovley navrhuje, bylo zjištěno, že Geobacter vykazuje tranzistorové vlastnosti, a může fungovat jako superkondenzátory pro ukládání elektronů.

” To se hodí k potenciálu pěstovat mikrobiální elektronické komponenty z levných vstupních surovin pro hromadnou výrobu. Mikrobiální dráty jsou mimořádně odolné pro biologický protein a bioelektronika má další výhodu v tom, že je funkční ve vodě.”Zdůrazňuje však, že praktické aplikace těchto technologií jsou stále v koncepční fázi.

představují tedy tyto bahenní a půdní mikroorganismy příslib levné energie pro všechny? Zdá se nepravděpodobné, že DEET bude reálně uhasit svět žízní po elektřině, i když schopnost těchto bakterií, aby generovat elektrický proud, může být užitečné pro rozvoj mikrobiální palivové články založené na biosenzorech a malé-měřítku biobatteries. Co je mnohem pravděpodobnější je, že Geobacter, Clostridium a Shewanella bude mít mnohem více rozšířené a komerčně životaschopné aplikací v oblastech, jako jsou bioremediace a vyčištění odpadních vod, a syntézu cenné průmyslové sloučeniny, meziprodukty, a paliv.

brambory-powered clock je nostalgická vzpomínka z dětství hodinách biologie většiny z nás, ale malá skupina vědců věří, že výrobu elektřiny z bakteriální organismy by se mohl stát životaschopnou možností. Nový vhled do mechaniky román aspekt bakteriální respirace by mohl pomoci urychlit vývoj mikrobiální elektrárny, který je schopen generovat elektřinu z průmyslových odpadních vod nebo mořského…

brambory-powered clock je nostalgická vzpomínka z dětství hodinách biologie většiny z nás, ale malá skupina vědců věří, že výrobu elektřiny z bakteriální organismy by se mohl stát životaschopnou možností. Nový vhled do mechaniky román aspekt bakteriální respirace by mohl pomoci urychlit vývoj mikrobiální elektrárny, který je schopen generovat elektřinu z průmyslových odpadních vod nebo mořského…

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.