Bioakkumulátorok: energia létrehozása baktériumokból

a burgonyával működő óra nosztalgikus visszaemlékezés a legtöbbünk gyermekkori biológiai óráiból, de a tudósok egy kis csoportja úgy véli, hogy a bakteriális organizmusokból származó villamos energia előállítása életképes lehetőség lehet.

a bakteriális légzés új aspektusainak mechanikájába való új betekintés segíthet felgyorsítani a mikrobiális erőművek fejlődését, amelyek képesek villamos energiát előállítani ipari szennyvízből vagy tengerfenéki üledékekből, valamint baktériumgyárak, amelyek nagy értékű vegyi anyagokat és tüzelőanyagokat állítanak elő csak napenergia és szén-dioxid felhasználásával.

Dr. Tom Clarke csapata, a Kelet-Angliai Egyetem biológiai tudományok tanszékének legújabb kutatása kimutatta, hogy a Shewanella oneidensis nevű baktérium felületébe ágyazott apró molekuláris vezetékek ezrei képesek közvetlenül elektromos áramot továbbítani szervetlen ásványi anyagokhoz, például vashoz és mangán-oxidokhoz, vagy az elektródák felületéhez. A közvetlen extracelluláris elektrontranszfer (DEET) néven ismert jelenség azért fordul elő, mert egyes oxigénhiányos környezetben élő baktériumok olyan elektronokat exportálnak, amelyek légzési ciklusuk során keletkeznek. Ilyenek például a Shewanella, valamint egy másik baktérium, a Geobacter néven ismert faj.

a sejtlégzés minden élő szervezetben előfordul, és magában foglalja a kémiai reakciók ciklikus sorozatát, amelyek a test sejtjein belül zajlanak, hogy az élelmiszerként vagy tápanyagként bevitt biokémiai energiát olyan energiaforrássá alakítsák, amelybe a sejtek bekapcsolódhatnak az általuk végzett biokémiai folyamatok táplálására.

Ez a folyamat felesleges elektronokat generál, amelyek a legtöbb organizmusban oxigénhez jutnak (melléktermékként vizet generálnak), vagy oxigénmentes környezetben élő mikrobák, például iszap üledékek esetén az elektronokat a sejt által bevitt más ásványi ionokhoz továbbítják. Amit azonban a tudósok az elmúlt években találtak, az az, hogy számos mikroorganizmus kifejlesztett módszereket a felesleges elektronok közvetlen exportálására a sejtből. Ezt úgy teszik, hogy az elektronokat apró molekuláris vezetékek mentén mozgatják, amelyek körülbelül 2,5 nm-re nyúlnak ki a sejt felületétől.

mikrobiális üzemanyagcella

növekszik ezek a baktériumok egy elektróda, és akkor hatékonyan a végén az anód fél akkumulátor. Párosítsuk ezt az anódot egy katóddal, tápláljuk a baktériumokat szén-alapú szerves anyagokkal, mondjuk ipari szennyvízből, és létrehozhatunk egy mikrobiális üzemanyagcellát, vagy MFC-t, amely áramot termel, bár kis mennyiségben.

a shewanella oneidensis, egy olyan baktérium, amely nehézfémekkel szennyezett környezetben virágzik, egyike azoknak a szervezeteknek, amelyek ezt az elektron-shuttling képességet mutatják, és Clarke csoportjának az UEA-ban végzett munkája, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DoE) Pacific Northwest National Laboratory csapatával együttműködve megmutatta, hogy a shewanella molekuláris vezetékei hogyan tudják az elektronokat a sejtből egy megfelelő felületre szállítani, amelyen a baktérium növekszik.

“a kísérleteink eredményei feltűnőek voltak” – állítja Dr. Clarke. “Ezek a bakteriális vezetékek gyakorlatilag olyanok, mint a ház vezetékei. Az áram előre-hátra hihetetlenül gyorsan áramlott, és sokkal gyorsabban, mint ami a légzéshez szükséges.”

a Shewanella áramforrásként való hasznosítása olyan léptékben, amely alkalmas arra, hogy a villamos energiát egy nemzeti hálózati rendszerbe visszavezesse, valószínűleg nem lesz megvalósítható, egyszerűen azért, mert az organizmusok nem termelnek elegendő áramot, Dr. Clarke folytatja. Azonban az a képességük, hogy elektronokat adnak a fémeknek és ásványi anyagoknak, bioremediális alkalmazásokhoz használható, például a talajban lévő oldható nehézfémek oldhatatlan formákká történő csökkentése, amelyek nem tudnak kimosódni a talajvízbe. Ez az egyik kutatási út, amelyet a csendes-óceáni északnyugati laboratóriumi kutatók folytatnak.

de ami még izgalmasabb, állítja, a fordított folyamat kihasználásának lehetősége: elektronok visszahelyezése a baktériumokba, például a Shewanellába a vezetékeken keresztül, és a mikroorganizmusok géntechnológiával történő megtervezése, hogy hasznos vegyületeket, beleértve az üzemanyagokat és a polimer prekurzorokat, közvetlenül a szén-dioxidból.

mikrobiális elektroszintézisként ismert, ez alapvetően egy mesterséges fotoszintézis, amely a növények cukrokat termelnek a napfényből, a CO2-ből és a vízből. De maga a napfény helyett a baktériumok elfogadják az elektronokat áramforrásként, amelyeket szénalapú vegyületek CO2-ből történő előállításához használnak.

kereskedelmi szempontból már megvalósítható a fotoszintetikus algák tenyésztése olyan vegyületek előállítására, amelyek üzemanyagokká vagy más termékekké alakíthatók. Amint azonban Clarke rámutat, ez a megközelítés nagy földterületeket nyel el, és a környezet romlásával jár. Ezzel szemben a mikrobiális elektroszintézist bárhol ki lehet használni, ahol napfény van, fotovoltaikus panelek segítségével a baktériumok táplálására, valamint víz-és CO2-gázforrással (az ipari hulladékgáz szépen megteszi) a baktériumok táplálására, hogy szénalapú termékeket állíthassanak elő.

az Elektroszintézis mint technológia különbözik más baktériumok, például az Escherichia coli és az élesztő fermentáció felhasználásától a kémiai vegyületek előállításához. “A géntechnológiával módosított baktériumokat és élesztőket széles körben használják kereskedelmi körülmények között fehérjék és más vegyületek, köztitermékek és még gyógyszerek előállítására is, de ezek nem fotoszintetizálódnak, ezért valamilyen cukorral kell táplálni őket, ami jelentős költségeket jelent a folyamathoz” – magyarázza Clarke. “Ezzel szemben a villamos energia olcsó, a CO2 pedig számos ipari folyamat és a fosszilis tüzelőanyagok égetésének hulladékterméke. Ha az olyan baktériumokat, mint a Shewanella, elektronokkal tudjuk aktiválni, például napelemekhez csatlakoztatott elektródákra helyezve, és CO2-t adunk nekik szénforrásként, akkor ezt a mesterséges fotoszintetikus folyamatot nagy értékű termékek előállítására használhatjuk.”

környezeti szempontból mindenki számára előnyös helyzet

a Shewanella és más mikroorganizmusok azon képességének kihasználása, hogy elektronokat juttassanak az elektródákba és az elektródákból (és így az eszközök, amelyekhez kapcsolódnak), egy olyan terület, amelyet elektromikrobiológiának neveznek. “Környezetvédelmi szempontból ez egy win-win helyzet” – mondja Korneel Rabaey professzor, a Genti Egyetem biokémiai és mikrobiális technológiai Tanszékén.

korábban a Queenslandi Egyetem mikrobiális Elektroszintézis központjának alapítója, Rabaey professzor fontos szerepet játszott egy kísérleti léptékű mikrobiális bioelektrokémiai rendszer (BES) üzem megvalósításában a Foster Sörfőzde ban ben Yatala, Queensland, öt évvel ezelőtt. Ez a kísérleti üzem baktériumokat használt a sörfőzde saját szennyvízéből származó elektromos energia előállításához, valamint marószóda előállításához, amelyre a sörfőzdének nagy mennyiségben van szüksége a tartályok tisztításához. Azóta hasonló kísérleti projektet hoztak létre egy papírgyártó üzemben, hogy előállítsák a gyártási folyamathoz szükséges hidrogén-peroxidot.

a Queenslandi Egyetem munkája emellett egy spin-out cég, a Bilexys létrehozásához vezetett, amely bioelektrokémiai rendszereket fejleszt, amelyek összekapcsolják a szennyvízkezelést a vegyi anyagok kereskedelmi léptékű előállításával. “Ezek a kísérleti üzemek bizonyítják, hogy a koncepció a valós világban is működni fog, és lehetőséget nyújthatnak az ipar számára a szükséges vegyi anyagok előállítására a helyszínen, nagyon kevés energiabevitel mellett, és további előnyökkel jár, ha egyidejűleg megtisztítják a hulladékukat” – mondta Rabaey professzor. “Ahogy egyre több ilyen kísérleti üzem jön létre, a technológia kereskedelmi szempontból életképesnek tekinthető, és ösztönzi az új folyamatok továbbfejlesztését.”

elektronok által működtetett Biofaktorok

fontos különbséget tenni a baktériumok szennyvíz tisztítására való felhasználásának általános koncepciója és a bioelektrokémiai szintézis olyan organizmusok általi használata között, mint a Shewanella, Rabaey professzor hangsúlyozza. “A szennyvíz anaerob baktériumokkal történő kezelése a szerves tartalom lebontására jól ismert, és széles körben alkalmazzák metánban gazdag biogáz előállítására.”Valójában csak Európában több mint 3000 olyan üzem van, amely ilyen módon biogázt állít elő, olyan baktériumok keverékét használva, amelyek a komplex szénvegyületeket egyre kisebb komponensekre bontják, rámutat.

“amit még nem tehetünk, hogy tiszta, nagy értékű vegyi anyagokat állítunk elő a szennyvízből, és ez az, ahol a baktériumok, mint például a Shewanella bioelektrokémiai szintézise forradalmasíthatja az üzemanyagok, biopolimerek és más anyagok előállítását a szennyvízből, csak olcsó áramforrások felhasználásával. A baktériumok már képesek előállítani néhány apró molekulát, de reméljük, hogy genetikailag megtervezhetjük a mikroorganizmusokat, hogy összetettebb molekulákat állítsanak elő, nagyjából ugyanúgy,ahogy most az élesztőt és az E. coli baktériumot biofaktorokként. A bioelektrokémiai szintézissel azonban nem kell cukrokat beépíteni az organizmusokba, mint építőelemeket a végtermék előállításához.”

A cél elérése érdekében végzett munka azonban még mindig viszonylag gyerekcipőben jár. “Egyrészt vannak olyan baktériumok, mint a Shewanella, amelyek olcsó villamos energiával képesek mesterséges fotoszintézist végezni, de jelenleg csak korlátozott számú hasznos vegyületet tudnak előállítani” – mondja Rabaey professzor. “Másrészt számos mikroorganizmus – például az E. coli és az élesztő-van, amelyek rendelkeznek a nagyszámú hasznos vegyület előállításához szükséges biológiai gépekkel, amelyeket viszonylag könnyen lehet megtervezni, De amelyek nem mutatják az elektron-shuttling gépeket, amelyek szükségesek ahhoz, hogy elektromos energiával táplálják őket.”Derek Lovley professzor, az Amherst-i massachusettsi Egyetem (UMass) professzora, aki 1987-ben felfedezte a Potomac folyó homok üledékében a Geobacter metallireducens néven ismert első Geobaktériumfajt, az elektron-elfogadó baktériumfajokat, köztük a Shewanellát, a Geobaktériumot és a Clostridium baktériumfajokat.

bakteriális vezetőképesség

Lovley professzor vezeti a Geobacter projektet (www.geobacter.org) az UMass – nál, amely mind a baktérium villamosenergia – termelő – azaz mikrobiális üzemanyagcellás -, mind elektrobioszintetikus képességeit vizsgálja. A Geobacter kitűnik az áramtermelésben, de Lovley professzor gondolkodása tükrözi Clarke és Rabaey gondolkodását, mivel úgy véli, hogy valószínűtlen, hogy olyan Geobacter – vagy Shewanella-alapú szennyvíztisztító telepek fejlődését látjuk, amelyek melléktermékként nagy mennyiségű villamos energiát termelnek. “A mikrobiális üzemanyagcellákkal kapcsolatos munkánk elsősorban az Egyesült Államok Haditengerészeti Kutatási Hivatala által finanszírozott projektekhez kapcsolódik, amelyek az óceán fenekén lévő iszapból villamos energiát takarítanak meg a megfigyelő eszközök működtetéséhez, amelyek csak kevés energiát igényelnek.”

a Geobacter villamosenergia-termelő kapacitásának egyik lehetséges alkalmazása lehet bioelektromos érzékelők fejlesztése szerves vegyületek számára, Lovley professzor javasolja. “Az ilyen típusú érzékelőben a baktériumokat egy elektródához kapcsolják, és a pozitív eredményt kis elektromos áramként regisztrálják.”Ez egy olyan eset, amikor arra gondolunk, hogyan lehet kihasználni a releváns organizmusok villamosenergia-termelő képességeit kisebb, nem pedig nagyobb léptékben. “Azok az alkalmazások, ahol nem kell sok energiát generálni, jó lehetőségeket jelentenek a mikrobiális üzemanyagcellák és a DEET végrehajtására képes organizmusok számára.”

a bioremediációs alkalmazások ezzel szemben sokrétűek, Prof Lovley hangsúlyozza. Az egyik UMass projekt az olajtársaságokkal együttműködve a Geobacter szerves anyagok oxidálására való képességének kiaknázását célozza a szénhidrogén szennyeződések talajból és talajvízből történő eltávolításának eszközeként. Az UMass csapatai külön próbálják feltérképezni a különböző Geobaktériumok genetikai kódját, és ez segít megjósolni, hogy a baktériumok hogyan fognak viselkedni különböző környezeti feltételek mellett, és lehetővé teszi a tudósok számára, hogy meghatározzák a szervezet tevékenységeinek legjobb törzseit, például a specifikus szennyeződések tisztítását.

UMass kutatás a folyamat elektroszintézis (üzembe elektronok vissza a baktériumok) középpontjában más mikroorganizmusok, mint például a fajok Clostridium, amelyek úgy tűnik, sokkal jobban megfelel, mint a Geobacter alkalmazások, ahol a szervezetek táplálják elektronok előállítására termékek szén-dioxid, Prof Lovley hozzáteszi. “A Geobacter a két organizmus közül jobb az elektromosság előállításához, míg a Clostridium jól alkalmazható elektroszintetikus alkalmazásokhoz.”amit azonban a kutatók még nem tudnak, az az, hogy a Clostridium hogyan juttatja ki és be az elektronjait a sejtbe. A szervezet nem termel molekuláris vezetékeket, mint a Shewanella és a Geobacter. “Úgy tűnik, hogy a clostridiumnak teljesen más külső kémiája van, mint a Shewanellának, és annak feltárása, hogyan működik, valami, amit remélünk elérni az elkövetkező években”.

a biotermelés optimalizálása

az UMass csapat egyik nagy technológiai áttörése tavaly történt, egy olyan biomérnöki platform kifejlesztésével, amely lehetővé teszi a tudósok számára, hogy genetikailag módosítsák a Clostridium fajokat, hogy a mikroorganizmus a CO2-t és az elektromos energiát nagyon egyszerű szerves vegyületek előállítására és bonyolultabb szénhidrogénekké alakítsák. “Ez ugyanaz az alapötlet, mint más baktériumok manipulálása, mivel egyes géneket ki lehet venni, másokat be lehet helyezni, hogy a sejtet a kívánt vegyület előállítására irányítsák, vagy olyan prekurzort vagy építőelemet készítsenek, amely könnyen átalakítható a végtermékké.”

ezenkívül a Geobacter és a Shewanella fajok által előállított nanoszálak szerkezetével kapcsolatos további betekintés előkészítheti az utat a biológiai huzalozáson alapuló mikroáramkörök fejlesztéséhez, mint egy teljesen új megközelítés a biológia és az elektronika összekapcsolásához. Lovley professzor szerint például a Geobacter tranzisztor tulajdonságokkal rendelkezik, és szuperkondenzátorként működhet az elektrontárolásban.

“Ez alkalmas arra, hogy a mikrobiális elektronikus alkatrészeket olcsó alapanyagokból, tömegtermelésre termeljék. A mikrobiális vezetékek rendkívül tartósak egy biológiai fehérje számára, és a bioelektronika további előnye, hogy vízben működik.”Hangsúlyozza azonban, hogy az ilyen technológiák gyakorlati alkalmazása még mindig a fogalmi szakaszban van.

tehát ezek az iszap-és talajlakó mikroorganizmusok az olcsó energia ígéretét jelentik mindenki számára? Valószínűtlennek tűnik, hogy a DEET reálisan csillapítja a világ elektromos szomjúságát, bár ezeknek a baktériumoknak az elektromos áram előállítására való képessége hasznos lehet mikrobiális üzemanyagcellás bioszenzorok és kis méretű biobakkumulátorok kifejlesztésében. Sokkal valószínűbb, hogy a Geobacter, a Clostridium és a Shewanella sokkal szélesebb körben elterjedt és kereskedelmi szempontból életképes alkalmazásokkal rendelkezik olyan területeken, mint a bioremediáció és a szennyvíztisztítás, valamint az értékes ipari vegyületek, intermedierek és üzemanyagok szintézise.

a burgonyával működő óra nosztalgikus visszaemlékezés a legtöbbünk gyermekkori biológiai óráiból, de a tudósok egy kis csoportja úgy véli, hogy a bakteriális organizmusokból származó villamos energia előállítása életképes lehetőség lehet. a bakteriális légzés új aspektusainak mechanikájába való új betekintés segíthet felgyorsítani a mikrobiális erőművek fejlődését, amelyek képesek villamos energiát előállítani ipari szennyvízből vagy tengerfenéki üledékekből,…

a burgonyával működő óra nosztalgikus visszaemlékezés a legtöbbünk gyermekkori biológiai óráiból, de a tudósok egy kis csoportja úgy véli, hogy a bakteriális organizmusokból származó villamos energia előállítása életképes lehetőség lehet. a bakteriális légzés új aspektusainak mechanikájába való új betekintés segíthet felgyorsítani a mikrobiális erőművek fejlődését, amelyek képesek villamos energiát előállítani ipari szennyvízből vagy tengerfenéki üledékekből,…

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.