Bio-batterie: creazione di energia da batteri

L’orologio potato-powered è un flashback nostalgico dalle lezioni di biologia infantile della maggior parte di noi, ma un piccolo gruppo di scienziati ritengono che la generazione di energia elettrica da organismi batterici potrebbe diventare una valida opzione.

Nuove intuizioni sulla meccanica di un nuovo aspetto della respirazione batterica potrebbero aiutare ad accelerare lo sviluppo di centrali elettriche microbiche in grado di generare elettricità da acque reflue industriali o sedimenti del fondo marino e fabbriche batteriche che producono prodotti chimici e combustibili ad alto valore utilizzando solo energia solare e anidride carbonica.

Una recente ricerca riportata dal team del Dr Tom Clarke presso il Dipartimento di Scienze biologiche dell’Università di East Anglia ha dimostrato come migliaia di piccoli fili molecolari incorporati nella superficie di un batterio chiamato Shewanella oneidensis possano trasmettere direttamente una corrente elettrica a minerali inorganici come ossidi di ferro e manganese o alla superficie degli elettrodi. Il fenomeno, noto come trasferimento di elettroni extracellulari diretti (DEET), si verifica a causa del modo in cui alcuni batteri che vivono in ambienti privi di ossigeno esportano elettroni che vengono generati attraverso il loro ciclo respiratorio. Gli esempi includono Shewanella, e alcune specie di un altro batterio noto come Geobacter.

La respirazione cellulare si verifica in tutti gli organismi viventi e comporta una serie ciclica di reazioni chimiche che avvengono all’interno delle cellule di un corpo per convertire l’energia biochimica assunta come cibo o nutrienti in una fonte di energia che le cellule possono attingere per alimentare tutti i processi biochimici che svolgono.

Questo processo genera elettroni in eccesso che, nella maggior parte degli organismi, vengono passati all’ossigeno (generando acqua come sottoprodotto) o, nel caso di microbi che vivono in un ambiente privo di ossigeno come i sedimenti di fango, gli elettroni vengono passati ad altri ioni minerali assorbiti dalla cellula. Ciò che gli scienziati hanno scoperto negli ultimi anni, tuttavia, è che una serie di microrganismi hanno sviluppato modi di esportare direttamente gli elettroni in eccesso dalla cellula. Lo fanno spola gli elettroni lungo piccoli fili molecolari che sporgono circa 2,5 nm dalla superficie cellulare.

Cella a combustibile microbica

Far crescere questi batteri su un elettrodo e si finisce in modo efficace con l’anodo metà di una batteria. Accoppia questo anodo a un catodo, alimenta i batteri con materia organica a base di carbonio, ad esempio, proveniente dalle acque reflue industriali, e puoi costruire una cella a combustibile microbica, o MFC, che genera elettricità, anche se in piccole quantità.

Shewanella oneidensis, un batterio che vive in ambienti contaminati da metalli pesanti, è uno degli organismi che visualizza questo elettrone-spola capacità, e l’opera di Clarke gruppo di UEA, collaborando con un team del Dipartimento dell’Energia statunitense (DoE), Pacific Northwest National Laboratory, ha dimostrato come Shewanella molecolare fili di trasporto di elettroni al di fuori della cella per una superficie idonea, il batterio è in crescita.

“I risultati dei nostri esperimenti sono stati sorprendenti”, afferma il dottor Clarke. “Questi fili batterici sono effettivamente proprio come il cablaggio in una casa. Una corrente scorreva avanti e indietro incredibilmente rapidamente e molto più velocemente di quanto sia necessario per la respirazione.”

Sfruttare la Shewanella come fonte di elettricità su una scala adatta per arare l’elettricità in un sistema di rete nazionale probabilmente non sarà fattibile, semplicemente perché gli organismi non generano abbastanza corrente, continua il dottor Clarke. Tuttavia, la loro capacità di dare elettroni a metalli e minerali può essere sfruttata per applicazioni biorimediali, come la riduzione dei metalli pesanti solubili presenti nel suolo in forme insolubili che non possono penetrare nelle acque sotterranee. Questa è una delle vie di ricerca che i ricercatori del Pacific Northwest Laboratory stanno perseguendo.

Ma ciò che è ancora più eccitante, afferma, è il potenziale per sfruttare il processo inverso: mettendo elettroni di nuovo in batteri come Shewanella attraverso i fili, e geneticamente ingegneria i microrganismi per rendere composti utili, compresi i combustibili e precursori polimerici, direttamente dal biossido di carbonio.

Conosciuta come elettrosintesi microbica, questa è fondamentalmente una fotosintesi artificiale, che è il modo in cui le piante generano zuccheri dalla luce solare, dalla CO2 e dall’acqua. Ma piuttosto che la luce solare stessa, i batteri accetteranno elettroni come fonte di energia, che usano per produrre composti a base di carbonio da CO2.

È già possibile commercialmente “coltivare” alghe fotosintetiche come mezzo per produrre composti che possono essere convertiti in combustibili o altri prodotti. Tuttavia, come sottolinea Clarke, questo approccio inghiotte vaste aree di terra ed è associato al degrado ambientale. Al contrario, l’elettrosintesi microbica potrebbe essere sfruttata ovunque ci sia luce solare, utilizzando pannelli fotovoltaici per alimentare i batteri e una fonte di acqua e gas CO2 (i gas di scarico industriali faranno bene) per nutrire i batteri in modo che possano fabbricare prodotti a base di carbonio.

L’elettrosintesi come tecnologia è anche distinta dall’uso di altri batteri come Escherichia coli e fermentazione del lievito, per la produzione di composti chimici. “I batteri e i lieviti geneticamente modificati sono ampiamente utilizzati in ambienti commerciali per produrre proteine e altri composti, intermedi e persino farmaci, ma non fotosintesi, quindi devi alimentarli con uno zucchero di qualche tipo, che aggiunge costi significativi al processo”, spiega Clarke. “Al contrario, l’elettricità è economica e la CO2 è un prodotto di scarto di molti processi industriali e della combustione di combustibili fossili. Se potessimo alimentare batteri come la Shewanella con elettroni, ad esempio posizionandoli su elettrodi collegati a pannelli solari, e dare loro CO2 come fonte di carbonio, potremmo usare questo processo fotosintetico artificiale per generare prodotti di alto valore.”

Una situazione win-win ambientale

Sfruttare la capacità di Shewanella e altri microrganismi di passare elettroni da e verso gli elettrodi (e quindi i dispositivi a cui sono collegati) è un campo noto come elettromicrobiologia. “Dal punto di vista ambientale è una situazione win-win”, afferma il professor Korneel Rabaey, presso il Dipartimento di tecnologia biochimica e microbica dell’Università di Gand.

Precedentemente fondatore del Centro per l’elettrosintesi microbica dell’Università del Queensland, il professor Rabaey è stato determinante nell’implementazione di un impianto bioelettrochimico microbico (BES) su scala pilota presso un birrificio di Foster a Yatala, nel Queensland, cinque anni fa. Questo impianto pilota utilizzava batteri per generare energia elettrica dalle acque reflue del birrificio e produrre soda caustica, di cui il birrificio ha bisogno in grandi quantità per pulire i suoi serbatoi. Un progetto pilota simile è stato poi istituito in un impianto di produzione di carta, per generare il perossido di idrogeno necessario nel processo di produzione.

Il lavoro dell’Università del Queensland ha inoltre portato alla creazione di una società spin-out, Bilexys, che sta sviluppando sistemi bioelettrochimici che accoppiano il trattamento delle acque reflue con la produzione di prodotti chimici su scala commerciale. “Questi impianti pilota dimostrano che il concetto funzionerà nel mondo reale e potrebbero fornire all’industria opzioni per la generazione di sostanze chimiche necessarie in loco, con un apporto energetico molto limitato e il vantaggio aggiunto di ripulire i loro rifiuti allo stesso tempo”, commenta il prof Rabaey. “Man mano che più di questi impianti pilota entreranno in funzione, la tecnologia sarà considerata commercialmente valida e stimolerà l’ulteriore sviluppo di nuovi processi.”

Biofactories powered by electrons

È importante distinguere tra il concetto generalizzato di utilizzare batteri per ripulire le acque reflue e l’uso della sintesi bioelettrochimica da parte di organismi come Shewanella, sottolinea il prof Rabaey. “Il trattamento delle acque reflue utilizzando batteri anaerobici per abbattere il contenuto organico è ben riconosciuto e ampiamente applicato per produrre biogas ricco di metano.”In effetti, ci sono oltre 3.000 impianti solo in Europa che producono biogas in questo modo, utilizzando un mix di batteri in grado di abbattere complessi composti di carbonio in componenti sempre più piccoli, sottolinea.

“Quello che non possiamo ancora fare è produrre prodotti chimici puliti e di alto valore dalle acque reflue, ed è qui che la sintesi bioelettrochimica da parte di batteri come Shewanella potrebbe rivoluzionare la produzione di combustibili, biopolimeri e altre sostanze dalle acque reflue, utilizzando solo fonti di energia elettrica a basso costo. I batteri possono già produrre alcune piccole molecole, ma speriamo di ingegnerizzare geneticamente i microrganismi in modo che producano molecole più complesse, più o meno allo stesso modo in cui ora possiamo progettare il lievito e il batterio E. coli come biofattorie. Tuttavia, con la sintesi bioelettrochimica non abbiamo bisogno di inserire gli zuccheri negli organismi come elementi costitutivi per fabbricare il prodotto finale.”

Il lavoro verso questo obiettivo è ancora in relativa infanzia, tuttavia. “Da un lato abbiamo batteri come la Shewanella che possono effettuare la fotosintesi artificiale utilizzando elettricità a basso costo, ma che attualmente possono produrre solo una gamma limitata di composti utili”, afferma il prof Rabaey. “D’altra parte abbiamo un arsenale di microrganismi – come E. coli e lievito – che hanno i macchinari biologici necessari per produrre un gran numero di composti utili e che possono essere ingegnerizzati in modo relativamente semplice, ma che non mostrano i macchinari di spola elettronica necessari per essere alimentati con elettricità.”

Lavorare per sviluppare le tecnologie che permetteranno agli scienziati di modificare accettare elettroni specie di batteri tra cui Shewanella, Geobacter, e specie del batterio Clostridium, viene introdotto dal Professor Derek e Carina presso l’Università del Massachusetts (UMass) a Amherst, che ha scoperto la prima specie di Geobacter, noto come Geobacter metallireducens, dei sedimenti sabbiosi del fiume Potomac, nel 1987.

Conducibilità batterica

Il professor Lovley guida il progetto Geobacter (www.geobacter.org) presso UMass, che sta studiando sia la generazione di elettricità – cioè la cella a combustibile microbica – che le capacità elettrobiosintetiche del batterio. Geobacter eccelle nella generazione di elettricità, ma il pensiero del prof Lovley rispecchia quello di Clarke e Rabaey, in quanto ritiene improbabile che vedremo lo sviluppo di impianti di trattamento delle acque reflue a base di Geobacter o Shewanella che generano grandi quantità di elettricità come sottoprodotto. “Il nostro lavoro sulle celle a combustibile microbiche si riferisce principalmente a progetti finanziati dall’Ufficio statunitense della ricerca navale che stanno esaminando la raccolta di elettricità dal fango sul fondo dell’oceano per eseguire dispositivi di monitoraggio, che richiedono solo un po’ di energia.”

Una potenziale applicazione della capacità di generazione di elettricità di Geobacter potrebbe essere lo sviluppo di sensori bioelettrici per composti organici, suggerisce il prof Lovley. “In questo tipo di sensore i batteri sarebbero accoppiati a un elettrodo e un risultato positivo sarebbe registrato come una piccola corrente elettrica.”È un caso di pensare a come sfruttare le capacità di generazione di elettricità degli organismi rilevanti su scala più piccola, piuttosto che più grande. “Le applicazioni in cui non è necessario generare molta energia rappresentano buone opportunità per le celle a combustibile microbiche e gli organismi in grado di eseguire il DEET.”

Le applicazioni di biorisanamento sono, al contrario, molteplici, sottolinea il prof Lovley. Uno dei progetti UMass, in collaborazione con le compagnie petrolifere, mira a sfruttare la capacità di Geobacter di ossidare la materia organica come mezzo per rimuovere i contaminanti di idrocarburi dal suolo e dalle acque sotterranee. Il lavoro dei team UMass sta tentando separatamente di mappare il codice genetico di diverse specie di Geobacter, e questo dovrebbe aiutare a prevedere come i batteri si comporteranno in diverse condizioni ambientali, e consentire agli scienziati di determinare i migliori ceppi delle attività dell’organismo come la pulizia di contaminanti specifici.

La ricerca UMass sul processo di elettrosintesi (reinserimento degli elettroni nei batteri) è incentrata su altri microrganismi, come le specie di clostridium, che sembrano molto più adatti del Geobacter alle applicazioni in cui gli organismi sono alimentati con elettroni per generare prodotti dall’anidride carbonica, aggiunge il prof Lovley. “Il Geobacter è il migliore dei due organismi per generare elettricità, mentre il clostridium è adatto alle applicazioni elettrosintetiche.”

Ciò che i ricercatori non sanno ancora, tuttavia, è come il clostridium ottiene i suoi elettroni dentro e fuori dalla cellula. L’organismo non produce fili molecolari come Shewanella e Geobacter. “Il clostridium sembra avere una chimica esterna totalmente diversa da Shewanella, e scoprire come funziona è qualcosa che speriamo di ottenere nei prossimi anni”.

Ottimizzazione della bioproduzione

Uno dei grandi progressi tecnologici del team UMass è arrivato lo scorso anno, con lo sviluppo di una piattaforma di bioingegneria che consentirà agli scienziati di modificare geneticamente le specie di Clostridium in modo che il microrganismo utilizzi la CO2 e l’energia elettrica per produrre composti organici molto semplici e convertirli in idrocarburi più complicati. “È la stessa idea di base della manipolazione di altri batteri, in quanto è possibile estrarre alcuni geni e inserirne altri, per indirizzare la cellula a produrre il composto desiderato, o creare un precursore o un blocco che può essere facilmente modificato nel prodotto finale.”

Inoltre, ulteriori approfondimenti sulla struttura dei nanofilamenti prodotti da specie come Geobacter e Shewanella potrebbero aprire la strada allo sviluppo di microcircuitrie basate sul cablaggio biologico come un approccio completamente nuovo per interfacciare la biologia con l’elettronica. Ad esempio, il prof Lovley suggerisce, Geobacter è stato trovato per esibire proprietà transistor, e può funzionare come supercondensatori per lo stoccaggio di elettroni.

” Questo si presta al potenziale di far crescere componenti elettronici microbici da materie prime economiche, per la produzione di massa. I fili microbici sono straordinariamente resistenti per una proteina biologica e la bioelettronica ha il vantaggio di essere funzionale in acqua.”Tuttavia, sottolinea, le applicazioni pratiche di tali tecnologie sono ancora allo stadio concettuale.

Quindi, questi microrganismi che abitano il fango e il suolo rappresentano una promessa di energia a basso costo per tutti? Sembra improbabile che DEET possa realisticamente placare la sete di elettricità del mondo, anche se la capacità di questi batteri di generare una corrente elettrica può rivelarsi utile per lo sviluppo di biosensori microbici basati su celle a combustibile e biobatterie su piccola scala. Ciò che è molto più probabile è che Geobacter, Clostridium e Shewanella avranno applicazioni molto più diffuse e commercialmente valide in campi come il biorisanamento e la pulizia delle acque reflue e la sintesi di preziosi composti industriali, intermedi e combustibili.

L’orologio potato-powered è un flashback nostalgico dalle lezioni di biologia infantile della maggior parte di noi, ma un piccolo gruppo di scienziati ritengono che la generazione di energia elettrica da organismi batterici potrebbe diventare una valida opzione. Nuove intuizioni sulla meccanica di un nuovo aspetto della respirazione batterica potrebbero aiutare ad accelerare lo sviluppo di…

L’orologio potato-powered è un flashback nostalgico dalle lezioni di biologia infantile della maggior parte di noi, ma un piccolo gruppo di scienziati ritengono che la generazione di energia elettrica da organismi batterici potrebbe diventare una valida opzione. Nuove intuizioni sulla meccanica di un nuovo aspetto della respirazione batterica potrebbero aiutare ad accelerare lo sviluppo di…

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