Bio-batterier: oprettelse af energi fra bakterier

det kartoffeldrevne ur er en nostalgisk flashback fra de fleste af os barndomsbiologilektioner, men en lille gruppe forskere mener, at generering af elektricitet fra bakterielle organismer kan blive en levedygtig mulighed.

ny indsigt i mekanikken i et nyt aspekt af bakteriel respiration kan hjælpe med at fremskynde udviklingen af mikrobielle kraftværker, der er i stand til at generere elektricitet fra industrielt spildevand eller havbundssedimenter, og bakteriefabrikker, der fremstiller kemikalier og brændstoffer af høj værdi ved hjælp af kun solenergi og kulsyre.nylig forskning rapporteret af Dr. Tom Clarke ‘s team ved University of East Anglia’ s Department of Biological Sciences har vist, hvordan tusindvis af små molekylære ledninger indlejret i overfladen af en bakterie kaldet Shevanella oneidensis kan direkte overføre en elektrisk strøm til uorganiske mineraler som jern og manganoksider eller overfladen af elektroder. Fænomenet, kendt som direkte ekstracellulær elektronoverførsel (DEET), opstår på grund af den måde, som nogle bakterier lever i miljøer, der mangler ilteksportelektroner, der genereres gennem deres åndedrætscyklus. Eksempler inkluderer Shevanella, og nogle arter af en anden bakterie kendt som Geobacter.cellulær respiration forekommer i alle levende organismer og involverer en cyklisk række kemiske reaktioner, der finder sted i kroppens celler for at omdanne biokemisk energi indtaget som mad eller næringsstoffer til en energikilde, som celler kan udnytte til at drive alle de biokemiske processer, de udfører.

denne proces genererer overskydende elektroner, der i de fleste organismer overføres til ilt (genererer vand som et biprodukt), eller i tilfælde af mikrober, der lever et iltfrit miljø, såsom muddersedimenter, overføres elektronerne til andre mineralioner, der er optaget af cellen. Hvad forskere har fundet i de senere år, imidlertid, er, at en række mikroorganismer har udviklet måder til direkte at eksportere de overskydende elektroner fra cellen. De gør dette ved at pendle elektronerne langs små molekylære ledninger, der stikker omkring 2,5 nm fra celleoverfladen.

mikrobiel brændselscelle

dyrk disse bakterier på en elektrode, og du ender effektivt med anodehalvdelen af et batteri. Par denne anode til en katode, fodre bakterierne med kulstofbaseret organisk materiale, siger fra industrielt spildevand, og du kan konstruere en mikrobiel brændselscelle eller MFC, der genererer elektricitet, omend i små mængder.en bakterie, der trives i miljøer, der er forurenet med tungmetaller, er en af de organismer, der viser denne elektrontransporteringsevne, og Clarkes gruppes arbejde ved UEA, der samarbejder med et team ved US Department of Energy ‘ s (DoE) Pacific Northern National Laboratory, har vist, hvordan Shevanellas molekylære ledninger kan transportere elektroner ud af cellen til en passende overflade, hvor bakterien vokser.

” resultaterne fra vores eksperimenter var slående,” hævder Dr. Clarke. “Disse bakterielle ledninger er effektivt ligesom ledningerne i et hus. En strøm flød frem og tilbage utroligt hurtigt og meget hurtigere end nødvendigt for åndedræt.”udnyttelse af Shevanella som en kilde til elektricitet i en skala, der er egnet til at pløje elektricitet tilbage i et nationalt netsystem, vil sandsynligvis ikke være muligt, simpelthen fordi organismerne ikke genererer nok strøm, fortsætter Dr. Clarke. Imidlertid kan deres evne til at give elektroner til metaller og mineraler udnyttes til bioremediale anvendelser, såsom reduktion af opløselige tungmetaller, der findes i jord, til uopløselige former, der ikke kan udvaskes i grundvandet. Dette er en af de forskningsveje, som de nordvestlige laboratorieforskere i Stillehavet forfølger.

men hvad der er endnu mere spændende, hævder han, er potentialet til at udnytte den omvendte proces: at sætte elektroner tilbage i bakterier som Shevanella gennem ledningerne og genetisk konstruere mikroorganismerne til at fremstille nyttige forbindelser, herunder brændstoffer og polymerprækursorer, direkte fra kulsyre.

kendt som mikrobiel elektrosyntese, dette er dybest set en kunstig fotosyntese, hvilket er, hvordan planter genererer sukker fra sollys, CO2 og vand. Men i stedet for sollys i sig selv vil bakterierne acceptere elektroner som en strømkilde, som de bruger til at producere kulstofbaserede forbindelser fra CO2.

det er allerede muligt kommercielt at ‘opdrætte’ fotosyntetiske alger som et middel til at producere forbindelser, der kan omdannes til brændstoffer eller andre produkter. Som Clarke påpeger, sluger denne tilgang imidlertid store arealer og er forbundet med miljøforringelse. I modsætning hertil kunne mikrobiel elektrosyntese udnyttes overalt, hvor der er sollys, ved at bruge fotovoltaiske paneler til at drive bakterierne og en kilde til vand og CO2-gas (industriaffald vil gøre pænt) for at fodre bakterierne, så de kan fremstille kulstofbaserede produkter.Elektrosyntese som teknologi adskiller sig også fra brugen af andre bakterier såsom Escherichia coli og gærfermentering til fremstilling af kemiske forbindelser. “Genetisk manipulerede bakterier og gær bruges bredt i kommercielle omgivelser til at fremstille proteiner og andre forbindelser, mellemprodukter og endda stoffer, men de fotosyntes ikke, så du er nødt til at brænde dem med et sukker af en slags, hvilket tilføjer betydelige omkostninger til processen,” forklarer Clarke. “I modsætning hertil er elektricitet billigt, og CO2 er et affaldsprodukt fra mange industrielle processer og forbrænding af fossile brændstoffer. Ved at placere dem på elektroder forbundet til solpaneler og give dem CO2 som en kilde til kulstof, kunne vi muligvis bruge denne kunstige fotosyntetiske proces til at generere produkter af høj værdi.”

en miljømæssig vind-vind situation

udnyttelse af Shevanellas og andre mikroorganismers evne til at passere elektroner til og fra elektroder (og dermed de enheder, de er forbundet til) er et felt kendt som elektromikrobiologi. “Fra et miljømæssigt perspektiv er det en vind-vind situation,” siger Professor Korneel Rabaey, ved University of Gent ‘ s Institut for biokemisk og mikrobiel teknologi.Professor Rabaey var tidligere grundlægger af center for mikrobiel Elektrosyntese ved Universitetet i Dronningland og var medvirkende til implementeringen af et pilotskala mikrobielt bioelektrokemisk system (BES) anlæg på et fosters bryggeri i Yatala, Dronningland, for fem år siden. Dette pilotanlæg brugte bakterier til at generere elektrisk strøm fra bryggeriets eget spildevand og producere kaustisk soda, som bryggeriet har brug for i store mængder for at rense sine tanke. Et lignende pilotprojekt er siden blevet etableret på et papirfabrik for at generere den brintoverilte, der kræves i produktionsprocessen.arbejdet har desuden ført til oprettelsen af et spin-out firma, der udvikler bioelektrokemiske systemer, der kobler spildevandsrensning med kommerciel produktion af kemikalier. “Disse pilotanlæg viser, at konceptet vil fungere i den virkelige verden og kunne give industrien muligheder for at generere kemikalier, der kræves på stedet, med meget lidt energiindgang og den ekstra fordel ved at rydde op i deres affald på samme tid,” kommenterer Prof Rabaey. “Efterhånden som flere af disse pilotanlæg kommer i gang, vil teknologien blive betragtet som kommercielt levedygtig og anspore til yderligere udvikling af nye processer.”

Biofabrikker drevet af elektroner

det er vigtigt at skelne mellem det generaliserede koncept om at bruge bakterier til at rense spildevand og brugen af bioelektrokemisk syntese af organismer som f.eks. “Behandlingen af spildevand ved hjælp af anaerobe bakterier til at nedbryde det organiske indhold er velkendt og anvendes bredt til at producere metanrig biogas.”Faktisk er der op mod 3.000 planter i Europa alene, der producerer biogas på denne måde ved hjælp af en blanding af bakterier, der kan nedbryde komplekse carbonforbindelser i stadig mindre komponenter, påpeger han.”hvad vi endnu ikke kan gøre, er at fremstille rene, værdifulde kemikalier fra spildevand, og det er her bioelektrokemisk syntese af bakterier som f.eks. Bakterierne kan allerede lave nogle små molekyler, men vi håber at genetisk konstruere mikroorganismerne, så de producerer mere komplekse molekyler, på samme måde som vi nu kan konstruere gær og bakterien E. coli som biofabrikker. Men med bioelektrokemisk syntese behøver vi ikke at tilslutte sukkerarter til organismerne som byggesten for at de kan fremstille slutproduktet.”

arbejdet mod dette mål er dog stadig i relativ barndom. “På den ene side har vi bakterier som Shevanella, der kan udføre kunstig fotosyntese ved hjælp af billig elektricitet, men som i øjeblikket kun kan fremstille et begrænset udvalg af nyttige forbindelser,” siger prof Rabaey. “På den anden side har vi et arsenal af mikroorganismer – som E. coli og gær – der har det biologiske maskineri, der er nødvendigt for at producere et stort antal nyttige forbindelser, og som kan konstrueres relativt let, men som ikke viser det elektronskibsmaskiner, der kræves for at de kan brændes med elektricitet.”

arbejdet med at udvikle de teknologier, der gør det muligt for forskere at modificere elektronaccepterende bakteriearter, herunder Shevanella, Geobacter og arter af bakterien Clostridium, bliver banebrydende af Professor Derek Lovley ved University of Massachusetts (UMass) i Amherst, der opdagede de første arter af Geobacter, kendt som Geobacter metallireducens, i Sandsediment i Potomac-floden i 1987.

bakteriel ledningsevne

Professor Lovley står i spidsen for Geobacter-projektet.geobacter.org) ved UMass, som undersøger både den elektricitetsgenererende – dvs.mikrobielle brændselscelle – og elektrobiosyntetiske evner af bakterien. Geobacter udmærker sig ved at generere elektricitet, men Prof Lovleys tænkning afspejler Clarke og Rabaey, idet han mener, at det er usandsynligt, at vi vil se udviklingen af Geobacter – eller Shevanella-baserede spildevandsrensningsanlæg, der genererer store mængder elektricitet som et biprodukt. “Vores arbejde med mikrobielle brændselsceller vedrører hovedsageligt US Office of Naval Research-finansierede projekter, der ser på at høste elektricitet fra mudderet i bunden af havet for at køre overvågningsenheder, som kun kræver lidt strøm.”

en potentiel anvendelse af geobacters elproduktionskapacitet kan være udviklingen af bioelektriske sensorer til organiske forbindelser, foreslår Prof Lovley. “I denne type sensor ville bakterierne blive koblet til en elektrode, og et positivt resultat ville blive registreret som en lille elektrisk strøm.”Det er et tilfælde af at tænke på, hvordan man udnytter de elgenererende evner hos relevante organismer i mindre, snarere end større skala. “Applikationer, hvor du ikke behøver at generere meget strøm, repræsenterer gode muligheder for mikrobielle brændselsceller og organismer, der kan udføre DEET.”

bioremedieringsapplikationerne er derimod mangfoldige, understreger Prof Lovley. Et af UMass-projekterne har i samarbejde med olieselskaberne til formål at udnytte Geobakters evne til at ilte organisk materiale som et middel til at fjerne kulbrinteforurenende stoffer fra jord og grundvand. Arbejde fra UMass-holdene forsøger separat at kortlægge den genetiske kode for forskellige Geobacter-arter, og dette skal hjælpe med at forudsige, hvordan bakterierne vil opføre sig under forskellige miljøforhold, og give forskere mulighed for at bestemme de bedste stammer af organismens aktiviteter såsom oprydning af specifikke forurenende stoffer.UMass-forskning i elektrosynteseprocessen (at sætte elektroner tilbage i bakterierne) er centreret om andre mikroorganismer, såsom arter af Clostridium, som synes meget bedre egnet end Geobacter til applikationer, hvor organismerne drives med elektroner til at generere produkter fra kulsyre, tilføjer Prof Lovley. “Geobacter er den bedste af de to organismer til at generere elektricitet, mens Clostridium er velegnet til elektrosyntetiske applikationer.”

hvad forskerne endnu ikke ved, er, hvordan Clostridium får sine elektroner ind og ud af cellen. Organismen producerer ikke molekylære ledninger som Shevanella og Geobacter. “Clostridium ser ud til at have en helt anden udenfor kemi end Shevanella, og at afdække, hvordan det fungerer, er noget, vi håber at opnå i de kommende år”.

optimering af bioproduktion

et af UMass-holdets store teknologiske gennembrud kom sidste år med udviklingen af en bioengineeringsplatform, der giver forskere mulighed for genetisk at modificere Clostridium-arterne, så mikroorganismen bruger CO2 og elektrisk energi til at producere meget enkle organiske forbindelser og omdanne dem til mere komplicerede kulbrinter. “Det er den samme grundlæggende ide som at manipulere andre bakterier, idet man kan tage nogle gener ud og sætte andre i, for at lede cellen til at fremstille den ønskede forbindelse eller lave en forløber eller byggesten, der let kan ændres til slutproduktet.”

desuden kunne yderligere indsigt i strukturen af nanofilamenter produceret af arter som Geobacter og Shevanella bane vejen for udviklingen af mikrokredsløb baseret på biologiske ledninger som en helt ny tilgang til grænseflade biologi med elektronik. For eksempel foreslår Prof Lovley, at Geobacter har vist sig at udvise transistoregenskaber og kan fungere som superkapacitorer til elektronlagring.

” dette egner sig til potentialet til at dyrke mikrobielle elektroniske komponenter fra billige råmaterialer til masseproduktion. De mikrobielle ledninger er ekstraordinært holdbare for et biologisk protein, og bioelektronik har den ekstra fordel at være funktionel i vand.”Han understreger dog, at de praktiske anvendelser af sådanne teknologier stadig er på det konceptuelle Stadium.

så repræsenterer disse mudder-og jordboende mikroorganismer et løfte om billig energi for alle? Det forekommer usandsynligt, at DEET realistisk vil slukke verdens tørst efter elektricitet, selvom disse bakteriers evne til at generere en elektrisk strøm kan vise sig nyttig til udvikling af mikrobielle brændselscellebaserede biosensorer og småskala biobatterier. Hvad der er langt mere sandsynligt er, at Geobacter, Clostridium og Shevanella vil have meget mere udbredte og kommercielt levedygtige anvendelser inden for områder som bioremediering og rensning af spildevand og syntese af værdifulde industrielle forbindelser, mellemprodukter og brændstoffer.

det kartoffeldrevne ur er en nostalgisk flashback fra de fleste af os barndomsbiologilektioner, men en lille gruppe forskere mener, at generering af elektricitet fra bakterielle organismer kan blive en levedygtig mulighed. ny indsigt i mekanikken i et nyt aspekt af bakteriel respiration kan hjælpe med at fremskynde udviklingen af mikrobielle kraftværker, der er i stand…

det kartoffeldrevne ur er en nostalgisk flashback fra de fleste af os barndomsbiologilektioner, men en lille gruppe forskere mener, at generering af elektricitet fra bakterielle organismer kan blive en levedygtig mulighed. ny indsigt i mekanikken i et nyt aspekt af bakteriel respiration kan hjælpe med at fremskynde udviklingen af mikrobielle kraftværker, der er i stand…

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.