Bio-akut: energian luominen bakteereista

perunalla toimiva Kello on nostalginen takauma useimpien meistä lapsuuden biologian tunneilta, mutta pieni tutkijaryhmä uskoo, että sähkön tuottaminen bakteereista voisi tulla varteenotettavaksi vaihtoehdoksi.

uudenlaisen bakteerihengityksen mekaniikan uudet oivallukset voisivat auttaa nopeuttamaan sellaisten mikrobivoimaloiden kehitystä, jotka pystyvät tuottamaan sähköä teollisuuden jätevesistä tai merenpohjan sedimenteistä, ja bakteeritehtaiden, jotka valmistavat arvokkaita kemikaaleja ja polttoaineita pelkästään aurinkoenergialla ja hiilidioksidilla.

Itä-Anglian yliopiston biologisten tieteiden laitoksen Tri Tom Clarken työryhmän hiljattain raportoima tutkimus on osoittanut, miten tuhannet pienet molekyylilangat, jotka on upotettu shewanella oneidensis-nimisen bakteerin pintaan, voivat siirtää sähkövirran suoraan epäorgaanisiin mineraaleihin, kuten rauta-ja mangaanioksideihin, tai elektrodien pintaan. Ilmiö, jota kutsutaan suoraksi solunulkoiseksi elektroninsiirroksi (DEET), johtuu siitä, että jotkin hapettomissa ympäristöissä elävät bakteerit vievät elektroneja, joita syntyy niiden hengityssyklissä. Esimerkkejä ovat Shewanella, ja jotkut lajit toisen bakteerin tunnetaan Geobacter.

soluhengitys tapahtuu kaikissa elävissä organismeissa, ja siihen liittyy syklinen sarja kemiallisia reaktioita, jotka tapahtuvat kehon soluissa, joiden tarkoituksena on muuttaa ravinnoksi tai ravintoaineiksi otettu biokemiallinen energia energianlähteeksi, johon solut voivat hyödyntää kaikki suorittamansa biokemialliset prosessit.

tässä prosessissa syntyy ylimääräisiä elektroneja, jotka useimmissa eliöissä siirtyvät hapelle (tuottavat sivutuotteena vettä) tai hapettomassa ympäristössä elävien mikrobien, kuten mutasedimenttien, tapauksessa elektronit siirtyvät muille solun sisään ottamille mineraali-ioneille. Tiedemiehet ovat kuitenkin havainneet viime vuosina, että monet pieneliöt ovat kehittäneet tapoja viedä ylimääräiset elektronit suoraan solusta. Ne tekevät tämän sukkuloimalla elektroneja pieniä molekyylilankoja pitkin, jotka työntyvät noin 2,5 nm: n päähän solun pinnasta.

mikrobien polttokenno

kasvattaa näitä bakteereja elektrodilla ja päädyt tehokkaasti akun anodipuolikkaaseen. Liittämällä tämä anodi katodiin, ruokkimalla bakteerit hiilipohjaisella orgaanisella aineella, vaikkapa teollisuuden jätevesistä, voidaan rakentaa mikrobinen polttokenno eli MFC, joka tuottaa sähköä, vaikkakin pieniä määriä.

Shewanella oneidensis-bakteeri, joka viihtyy raskasmetallien saastuttamissa ympäristöissä, on yksi niistä organismeista, jotka osoittavat tämän elektronisukkulakyvyn.Clarken ryhmä UEA: ssa, yhteistyössä Yhdysvaltain energiaministeriön (DoE) Pacific Northwest National Laboratoryn ryhmän kanssa, on osoittanut, miten Shewanellan molekyylilangat voivat kuljettaa elektroneja solusta sopivalle pinnalle, jolla bakteeri kasvaa.

“kokeidemme tulokset olivat hätkähdyttäviä”, tohtori Clarke väittää. “Nämä bakteerilangat ovat käytännössä aivan kuin talon johdotukset. Virta virtasi edestakaisin uskomattoman nopeasti ja paljon nopeammin kuin hengitykseen tarvitaan.”

Shewanellan valjastaminen sähkönlähteeksi sellaisessa mittakaavassa, joka soveltuu sähkön auraamiseen takaisin kansalliseen verkkoon, ei luultavasti tule olemaan mahdollista, yksinkertaisesti siksi, että eliöt eivät tuota tarpeeksi virtaa, tohtori Clarke jatkaa. Niiden kykyä luovuttaa elektroneja metalleille ja mineraaleille voidaan kuitenkin hyödyntää bioremediaalisissa sovelluksissa, kuten maaperässä olevien liukoisten raskasmetallien pelkistämisessä liukenemattomiin muotoihin, jotka eivät pääse huuhtoutumaan pohjaveteen. Tämä on yksi tutkimuksen väylistä, joita Pacific Northwest Laboratory-tutkijat tavoittelevat.

mutta vielä jännittävämpää on hänen mukaansa mahdollisuus hyödyntää käänteistä prosessia: elektronien laittaminen takaisin bakteereihin, kuten Shewanellaan, johtojen läpi, ja geneettisesti mikro-organismit tekevät hyödyllisiä yhdisteitä, mukaan lukien polttoaineet ja polymeerin lähtöaineet, suoraan hiilidioksidista.

tunnetaan mikrobielektrosynteesinä, tämä ‘ on periaatteessa keinotekoinen fotosynteesi, jolla kasvit tuottavat sokereita auringonvalosta, CO2: sta ja vedestä. Itse auringonvalon sijaan bakteerit kuitenkin hyväksyvät voimanlähteekseen elektroneja, joita ne käyttävät hiilipohjaisten yhdisteiden tuottamiseen CO2: sta.

kaupallisesti on jo mahdollista “viljellä” yhteyttäviä leviä keinona tuottaa yhdisteitä, jotka voidaan muuntaa polttoaineiksi tai muiksi tuotteiksi. Kuten Clarke kuitenkin huomauttaa, tämä lähestymistapa nielee suuria maa-alueita ja liittyy ympäristön pilaantumiseen. Sitä vastoin mikrobien elektrosynteesiä voitaisiin järkevästi hyödyntää missä tahansa auringonvalossa käyttämällä aurinkosähköpaneeleita bakteerien ja veden ja CO2-kaasun lähteenä (teollisuuden jätekaasu tekee hienosti) bakteerien ruokkimiseksi, jotta ne voivat valmistaa hiilipohjaisia tuotteita.

Elektrosynteesi tekniikkana eroaa myös muiden bakteerien, kuten Escherichia colin, ja hiivakäymisen käytöstä kemiallisten yhdisteiden valmistuksessa. “Geenimuunneltuja bakteereja ja hiivaa käytetään laajalti kaupallisissa yhteyksissä proteiinien ja muiden yhdisteiden, välituotteiden ja jopa lääkkeiden valmistukseen, mutta ne eivät yhteytä, joten ne täytyy tankata jonkinlaisella sokerilla, mikä lisää merkittävästi prosessin kustannuksia”, Clarke selittää. “Sen sijaan sähkö on halpaa, ja CO2 on monien teollisten prosessien ja fossiilisten polttoaineiden polttamisen hukkatuote. Jos voimme käynnistää bakteereja, kuten Shewanellaa, elektroneilla, esimerkiksi asettamalla ne elektrodeihin, jotka on kytketty aurinkopaneeleihin, ja antaa niille CO2 hiilen lähteenä, voisimme järkevästi käyttää tätä keinotekoista fotosynteettistä prosessia tuottamaan arvokkaita tuotteita.”

an environmental win-win situation

valjastamalla Shewanellan ja muiden mikro-organismien kyky siirtää elektroneja elektrodeihin ja niistä (ja siten laitteisiin, joihin ne on liitetty) on elektromikrobiologiaksi kutsuttu ala. “Ympäristön kannalta tilanne on win-win”, sanoo professori Korneel Rabaey Gentin yliopiston biokemiallisen ja Mikrobiteknologian laitokselta.

aiemmin Queenslandin yliopiston mikrobien Elektrosynteesin Keskuksen perustanut professori Rabaey oli mukana toteuttamassa pilottimittakaavan mikrobien bioelectrochemical system (BES)-laitosta Fosterin panimossa Yatalassa Queenslandissa viisi vuotta sitten. Tämä pilottilaitos käytti bakteereja tuottaakseen sähköenergiaa panimon omista jätevesistä ja tuottaakseen kaustista soodaa, jota panimo tarvitsee suuria määriä säiliöidensä puhdistamiseen. Paperinvalmistuslaitoksessa on sittemmin aloitettu vastaava pilottihanke, jonka tarkoituksena on tuottaa tuotantoprosessissa tarvittavaa vetyperoksidia.

Queenslandin yliopiston työ on lisäksi johtanut siihen, että perustettiin spin-out-yritys Bilexys, joka kehittää bioelektrokemiallisia järjestelmiä, jotka yhdistävät jäteveden käsittelyn kaupallisen mittakaavan kemikaalien tuotantoon. “Nämä pilottilaitokset osoittavat, että konsepti toimii todellisessa maailmassa, ja voisi tarjota teollisuudelle vaihtoehtoja tuottaa kemikaaleja tarvitaan paikan päällä, hyvin vähän energiaa, ja lisäetua puhdistamalla jätteensä samanaikaisesti,” Prof Rabaey kommentoi. “Kun näitä pilottilaitoksia tulee lisää, teknologia nähdään kaupallisesti kannattavana ja kannustaa uusien prosessien kehittämiseen.”

elektroneilla toimivat Biofaktorit

on tärkeää erottaa toisistaan yleinen käsite bakteerien käyttämisestä jäteveden puhdistamiseen ja eliöiden, kuten Shewanellan, bioelektrisen kemiallisen synteesin käyttö, Prof Rabaey painottaa. “Jäteveden käsittely anaerobisilla bakteereilla orgaanisen aineksen hajottamiseksi on hyvin tunnettua ja sitä käytetään laajalti metaanipitoisen biokaasun tuottamiseen.”Itse asiassa yksistään Euroopassa on yli 3000 laitosta, jotka tuottavat biokaasua tällä tavalla käyttämällä bakteerisekoitusta, joka voi hajottaa monimutkaisia hiiliyhdisteitä yhä pienemmiksi komponenteiksi, hän huomauttaa.

“emme voi vielä valmistaa puhtaita, arvokkaita kemikaaleja jätevedestä, ja tässä tapauksessa Shewanellan kaltaisten bakteerien Bio-elektrokemiallinen synteesi voisi mullistaa polttoaineiden, biopolymeerien ja muiden aineiden tuotannon jätevedestä käyttämällä vain halpoja sähkönlähteitä. Bakteerit voivat jo valmistaa pieniä molekyylejä, mutta toivomme kehittävämme mikro-organismit geneettisesti niin, että ne tuottavat monimutkaisempia molekyylejä, paljolti samalla tavalla kuin voimme nyt valmistaa hiivaa ja E. coli-bakteeria biofaktoreina. Bio-elektrokemiallisella synteesillä meidän ei kuitenkaan tarvitse liittää sokereita eliöihin rakennuspalikoiksi, jotta ne voivat valmistaa lopputuotteen.”

työ tämän tavoitteen saavuttamiseksi on kuitenkin vielä suhteellisen lapsenkengissä. “Yhtäältä meillä on Shewanellan kaltaisia bakteereja, jotka voivat harjoittaa keinotekoista fotosynteesiä halvalla sähköllä, mutta jotka voivat tällä hetkellä valmistaa vain rajallisen määrän hyödyllisiä yhdisteitä”, sanoo professori Rabaey. “Toisaalta meillä on arsenaali mikro-organismeja – kuten kolibakteeria ja hiivaa-joilla on tarvittavat biologiset koneet suuren määrän hyödyllisiä yhdisteitä tuottamiseksi ja jotka voidaan valmistaa suhteellisen helposti, mutta joissa ei ole elektronisukkulakoneistoa, jota tarvitaan, jotta ne voisivat käyttää polttoaineenaan sähköä.”

työ kehittää teknologioita, joiden avulla tutkijat voivat muuttaa elektroneja hyväksyviä bakteerilajeja, mukaan lukien Shewanella, Geobakteeri ja Clostridium-bakteerin lajit, on uranuurtaja professori Derek Lovley Massachusettsin yliopistosta (UMass) Amherstissa, joka löysi ensimmäisen geobakteerin, joka tunnetaan nimellä Geobacter metallireducens, hiekkasedimentissä Potomac-joessa vuonna 1987.

bakteerien johtavuus

professori Lovley johtaa Geobacter-hanketta (suom.geobakteeri.org) UMass: ssa, joka tutkii sekä bakteerin sähköntuotantokykyä – eli mikrobipolttokennoa – että elektrobiosynteettisiä ominaisuuksia. Geobacter on erinomainen sähkön tuottamisessa, mutta Prof Lovleyn ajattelu peilaa Clarken ja Rabaeyn ajattelua, sillä hän uskoo, että on epätodennäköistä, että tulemme näkemään geobacter – tai Shewanella-pohjaisten jätevedenpuhdistamoiden kehitystä, jotka tuottavat suuria määriä sähköä sivutuotteena. “Mikrobipolttokennoja koskeva työmme liittyy pääasiassa Yhdysvaltain laivaston Tutkimusrahoitteisiin hankkeisiin, joissa tarkastellaan sähkön keräämistä merenpohjan mudasta valvontalaitteiden pyörittämiseksi, jotka vaativat vain vähän virtaa.”

yksi mahdollinen geobakteerin sähköntuotantokapasiteetin sovellus voisi olla biosähköisten antureiden kehittäminen orgaanisille yhdisteille, Prof Lovley ehdottaa. “Tällaisessa anturissa bakteerit kytkettäisiin elektrodiin, ja positiivinen tulos rekisteröitäisiin pienenä sähkövirtana.”Kyse on Ajatuksesta, miten relevanttien eliöiden sähköntuotantokykyä voidaan hyödyntää pienemmässä mittakaavassa eikä suuremmassa mittakaavassa. “Sovellukset, joissa ei tarvitse tuottaa paljon tehoa, tarjoavat hyviä mahdollisuuksia mikrobisille polttokennoille ja eliöille, jotka voivat toteuttaa DEET: tä.”

bioremediation sovellukset ovat sen sijaan moninaisia, Prof Lovley painottaa. Yksi UMass-hankkeista pyrkii yhteistyössä öljy-yhtiöiden kanssa valjastamaan Geobakteerin kyvyn hapettaa orgaanista ainesta hiilivetyjen epäpuhtauksien poistamiseksi maaperästä ja pohjavedestä. UMass-ryhmien työ pyrkii erikseen kartoittamaan eri Geobakteerilajien geneettistä koodia, ja tämän pitäisi auttaa ennustamaan, miten bakteerit käyttäytyvät erilaisissa ympäristöolosuhteissa, ja antaa tutkijoille mahdollisuuden määrittää organismin toiminnan parhaat kannat, kuten tiettyjen epäpuhtauksien puhdistaminen.

UMass-tutkimus sähkösynteesin prosessista (elektronien laittaminen takaisin bakteereihin) keskittyy muihin mikro-organismeihin, kuten Clostridium-lajeihin, jotka näyttävät soveltuvan Geobakteeria paljon paremmin sovelluksiin, joissa eliöt käyttävät polttoaineenaan elektroneja tuottaakseen tuotteita hiilidioksidista, Prof Lovley lisää. “Geobakteeri on kahdesta eliöstä parempi sähkön tuottamiseen, kun taas Clostridium soveltuu hyvin sähkösynteettisiin sovelluksiin.”

tutkijat eivät kuitenkaan vielä tiedä, miten Clostridium saa elektroninsa sisään ja ulos solusta. Eliö ei tuota Molekyylilankoja kuten Shewanella ja Geobacter. “Clostridium näyttää olevan täysin erilainen ulkopuolella kemia kuin Shewanella, ja paljastaminen miten se toimii on jotain toivomme saavuttaa tulevina vuosina”.

Biotuotannon optimointi

yksi UMass-tiimin suurista teknologisista läpimurroista tapahtui viime vuonna, kun kehitettiin biotekniikan alusta, jonka avulla tutkijat voivat geneettisesti muokata Clostridium-lajeja niin, että mikro-organismi käyttää hiilidioksidia ja sähköenergiaa hyvin yksinkertaisten orgaanisten yhdisteiden tuottamiseen ja muuntaa ne monimutkaisemmiksi hiilivedyiksi. “Se on sama perusajatus kuin muiden bakteerien manipulointi, siinä mielessä että voit ottaa joitakin geenejä ulos ja laittaa toiset sisään, ohjata solun valmistamaan haluamaasi yhdistettä, tai tehdä esiasteen tai rakennuspalikan, joka voidaan helposti muokata lopulliseksi tuotteeksi.”

lisäksi geobakteerin ja Shewanellan kaltaisten lajien tuottamien nanofilamenttien rakennetta koskevat lisätiedot voisivat tasoittaa tietä biologiseen johdotukseen perustuvan mikropiirin kehitykselle täysin uutena lähestymistapana biologian ja elektroniikan yhdistämiseen. Esimerkiksi Prof Lovley ehdottaa, Geobacter on todettu esiintyvän transistori ominaisuuksia, ja voi toimia superkapasitorit elektronien varastointiin.

“Tämä mahdollistaa mikrobien elektronisten komponenttien kasvattamisen halvoista raaka-aineista massatuotantoa varten. Mikrobilangat ovat poikkeuksellisen kestäviä biologiseksi proteiiniksi, ja bioelektroniikan etuna on se, että ne toimivat vedessä.”Hän kuitenkin korostaa, että tällaisten teknologioiden Käytännön sovellukset ovat vielä käsitteellisessä vaiheessa.

edustavatko nämä mudassa ja maaperässä elävät pieneliöt siis lupausta halvasta energiasta kaikille? Näyttää epätodennäköiseltä, että DEET realistisesti sammuttaisi maailman sähkönjanon, vaikka näiden bakteerien kyky tuottaa sähkövirtaa voi osoittautua hyödylliseksi mikrobien polttokennopohjaisten biosensorien ja pienimuotoisten biopatterien kehittämisessä. Mikä on paljon todennäköisempää on, että Geobacter, Clostridium ja Shewanella on paljon laajempaa ja kaupallisesti kannattavaa sovelluksia aloilla, kuten bioremediation ja jäteveden puhdistus, ja synteesin arvokkaita teollisia yhdisteitä, välituotteita, ja polttoaineet.

perunalla toimiva Kello on nostalginen takauma useimpien meistä lapsuuden biologian tunneilta, mutta pieni tutkijaryhmä uskoo, että sähkön tuottaminen bakteereista voisi tulla varteenotettavaksi vaihtoehdoksi. uudenlaisen bakteerihengityksen mekaniikan uudet oivallukset voisivat auttaa nopeuttamaan sellaisten mikrobivoimaloiden kehitystä, jotka pystyvät tuottamaan sähköä teollisuuden jätevesistä tai merenpohjan sedimenteistä, ja bakteeritehtaiden, jotka valmistavat arvokkaita kemikaaleja ja polttoaineita pelkästään aurinkoenergialla ja hiilidioksidilla.…

perunalla toimiva Kello on nostalginen takauma useimpien meistä lapsuuden biologian tunneilta, mutta pieni tutkijaryhmä uskoo, että sähkön tuottaminen bakteereista voisi tulla varteenotettavaksi vaihtoehdoksi. uudenlaisen bakteerihengityksen mekaniikan uudet oivallukset voisivat auttaa nopeuttamaan sellaisten mikrobivoimaloiden kehitystä, jotka pystyvät tuottamaan sähköä teollisuuden jätevesistä tai merenpohjan sedimenteistä, ja bakteeritehtaiden, jotka valmistavat arvokkaita kemikaaleja ja polttoaineita pelkästään aurinkoenergialla ja hiilidioksidilla.…

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.