バイオ電池:細菌からエネルギーを作り出す

ジャガイモ駆動の時計は、私たちのほとんどの子供時代の生物学の教訓からの懐かしいフラッ

細菌呼吸の新しい側面の力学への新しい洞察は、産業排水や海底堆積物から電気を発生させることができる微生物発電所や、太陽光発電と二酸化炭素

イースト-アングリア大学の生物科学部の博士トム-クラークのチームによって報告された最近の研究は、Shewanella oneidensisと呼ばれる細菌の表面に埋め込まれた何千もの 直接細胞外電子移動(DEET)として知られている現象は、酸素を欠いている環境に住んでいるいくつかの細菌が呼吸サイクルを通じて生成された電子を 例としては、Shewanella、およびGeobacterとして知られている別の細菌のいくつかの種が含まれます。

細胞呼吸はすべての生きている有機体で起こり、細胞が遂行するすべての生化学的なプロセスに動力を与えるために叩くことができるエネルギー源に食糧か栄養素として取られる生化学的なエネルギーを変えるためにボディの細胞の内で起こる周期的な一連の化学反応を含み。

このプロセスは、ほとんどの生物では、酸素(副産物として水を生成する)に渡される余分な電子を生成するか、泥の堆積物のような無酸素環境に住 しかし、科学者たちが近年発見したのは、さまざまな微生物が過剰な電子を細胞から直接輸出する方法を開発したことです。 それらは、細胞表面から約2.5nm突出する小さな分子ワイヤに沿って電子を往復させることによってこれを行う。

微生物燃料電池

電極上でこれらの細菌を増殖させると、効果的に電池の陽極半分になります。 この陽極を陰極に結合し、細菌に炭素ベースの有機物を供給し、例えば産業排水から、あなたは少量ではあるが、電気を生成する微生物燃料電池、またはMFCを構築することができます。

重金属によって汚染された環境で繁栄する細菌であるShewanella oneidensisは、この電子往復能力を示す生物の一つであり、UeaのClarkeのグループが米国エネルギー省(DoE)Pacific Northwest National Laboratoryのチームと協力して、Shewanellaの分子ワイヤが細胞から電子を細菌が成長している適切な表面にどのように輸送できるかを示した。

「私たちの実験の結果は印象的でした」とClarke博士は主張しています。 「これらの細菌線は、効果的には家の中の配線のようなものです。 電流は信じられないほど迅速に前後に流れ、呼吸に必要なものよりもはるかに速く流れました。”

生物が十分な電流を生成しないという理由だけで、シェワネラを全国のグリッドシステムに戻すのに適した規模の電力源として利用することは、 しかし、金属や鉱物に電子を与える能力は、土壌中に存在する可溶性重金属を地下水に浸出できない不溶性形態に還元するなど、バイオレメディアル これは、太平洋岸北西部の研究室の研究者が追求している研究の道の一つです。しかし、さらにエキサイティングなのは、逆のプロセスを利用する可能性があると彼は主張しています: ワイヤを介してShewanellaなどの細菌に電子を戻し、微生物を遺伝子工学的に操作して、燃料やポリマー前駆体を含む有用な化合物を二酸化炭素から直接作微生物電気合成として知られているthis’isは、基本的に植物が太陽光、CO2、水から糖を生成する方法である人工光合成です。

微生物電気合成として知られている、これは基本的に人工光合成です。 しかし、日光自体ではなく、細菌は電子を電源として受け入れ、CO2から炭素ベースの化合物を生成するために使用します。燃料や他の製品に変換することができる化合物を生産する手段として、光合成藻類を「養殖」することはすでに商業的に実現可能です。

しかし、クラークが指摘しているように、このアプローチは土地の広い領域を飲み込み、環境劣化に関連しています。 これとは対照的に、太陽光発電パネルを使用して細菌に電力を供給し、水とCO2ガスの供給源(産業廃棄物ガスがうまくいく)を使用して、炭素ベースの製技術としての電気合成は、化学化合物を製造するための大腸菌や酵母発酵などの他の細菌の使用とは異なる。

電気合成は、化学化合物を製造するた “遺伝子組み換え細菌や酵母は、タンパク質や他の化合物、中間体、さらには薬物を製造するために商業的な設定で広く使用されていますが、光合成を行 「対照的に、電気は安価であり、CO2は多くの工業プロセスや化石燃料の燃焼の廃棄物です。 例えば、太陽電池パネルに接続された電極の上に置くことによって、電子でシェワネラなどの細菌をパワーアップし、CO2を炭素源として与えることがで”

環境win-winの状況

shewanellaや他の微生物が電極(したがって、それらが接続されているデバイス)との間で電子を通過させる能力を利用することは、electromicrobiologyとして知られている分野である。 “環境の観点からは、それはwin-winの状況です”とゲント大学の生化学微生物技術学科のKorneel Rabaey教授は述べています。

以前はクイーンズランド大学の微生物電気合成センターの創設者であったRabaey教授は、五年前にクイーンズランド州YatalaのFoster’s breweryでパイロットスケールの微生物生物電気化学システム(BES)プラントの実施に尽力した。 このパイロットプラントは、細菌を使用して醸造所の排水から電力を発生させ、醸造所がタンクをきれいにするために大量に必要とする苛性ソーダを 同様のパイロットプロジェクトは、その後、製造プロセスに必要な過酸化水素を生成するために、紙製造工場で確立されています。

クイーンズランド大学の研究は、さらに、廃水処理と商業規模の化学物質の生産を組み合わせた生物電気化学システムを開発しているスピンアウ “これらのパイロットプラントは、このコンセプトが現実の世界で機能することを実証し、現場で必要な化学物質を生成するためのオプションを業界に提供することができ、エネルギー入力が非常に少なく、同時に廃棄物を清掃することの追加の利点があります”とRabaey教授はコメントしています。 “これらのパイロットプラントの多くが流れに来るように技術は商業的に実行可能と見られ、新しいプロセスのさらなる開発に拍車をかけるで”

電子によって動力を与えられるBiofactories

廃水をきれいにするのに細菌を使用することの一般化された概念とShewanella、教授Rabaeyのstressesのような有機体によるbioelectrochemical合成の使用を区別することは重要である。 「嫌気性細菌を使用して有機含有量を分解する廃水の処理は、よく認識されており、メタンが豊富なバイオガスの生産に広く適用されています。”実際には、複雑な炭素化合物をより小さな成分に分解することができる細菌の混合物を使用して、このようにバイオガスを生産するヨーロッパだけで3,000

“私たちがまだできないことは、排水から清潔で価値の高い化学物質を製造することであり、これはShewanellaなどの細菌による生物電気化学合成が、安価な電 細菌はすでにいくつかの小分子を作ることができますが、私たちは酵母や大腸菌をバイオファクトリとして設計できるのと同じように、微生物がより複雑な分子を産生するように遺伝的に設計したいと考えています。 しかし、生物電気化学合成では、最終製品を製造するためのビルディングブロックとして糖を生物に差し込む必要はありません。”

しかし、この目標に向けた作業はまだ相対的な初期段階にあります。 「一方では、安価な電気を使って人工光合成を行うことができるShewanellaなどの細菌がありますが、現在は限られた範囲の有用な化合物しか製造できません」とRabaey教授は述べています。 “一方、大腸菌や酵母のような微生物は、多くの有用な化合物を生産するために必要な生物学的機械を持っており、比較的簡単に設計することができますが、電気で燃料を供給するために必要な電子往復機械を表示しません。”

科学者がShewanella、Geobacter、および細菌Clostridiumの種を含む細菌の電子受容種を変更することを可能にする技術を開発する仕事は、1987年にポトマック川の砂の沈殿物でGeobacter metallireducensとし

細菌の伝導性

教授LovleyはGeobacterプロジェクトを先鋒に立てます(www。ゲオバクターorg)UMassでは、微生物燃料電池の発電能力と細菌の電気生物合成能力の両方を調査しています。 Geobacterは発電に優れていますが、Lovley教授の考えは、ClarkeとRabaeyの考えを反映しています。geobacterまたはShewanellaベースの排水処理プラントの開発が副産物として大量の電気を発生させる可能性は低いと考えています。 “微生物燃料電池に関する私たちの仕事は、わずかな電力を必要とする監視装置を実行するために、海の底に泥から電気を収穫することを見ている海軍”

Geobacterの発電能力の一つの潜在的なアプリケーションは、有機化合物のための生体電気センサーの開発である可能性があり、教授Lovleyは示唆しています。 「このタイプのセンサーでは、細菌は電極に結合され、肯定的な結果は小さな電流として登録されます。「それは、より大きな規模ではなく、より小さい規模で関連する生物の発電能力をどのように活用するかを考えた場合です。 “多くの電力を生成する必要がないアプリケーションは、DEETを実行できる微生物燃料電池や生物にとって良い機会を表しています。”

bioremediationアプリケーションは、対照的に、マニホールド、教授Lovleyストレスです。 UMassプロジェクトの一つは、石油会社と共同で、土壌や地下水から炭化水素汚染物質を除去する手段として有機物を酸化するGeobacterの能力を活用すること UMassのチームによる仕事は別に異なったGeobacter種の遺伝コードを地図を描くように試みて、これは細菌が異なった環境条件の下でいかにするか予測するのを助け、科学者が特定の汚染物の上できれいになることのような有機体の活動の最もよい緊張を定めることを可能にするべきである。

電気合成のプロセスに関するUMass研究(細菌に電子を戻す)は、生物が二酸化炭素から生成物を生成するために電子を燃料とするアプリケーションにGeobacterよりもはるかに適しているように見えるClostridiumの種のような他の微生物を中心としている、教授Lovleyは付け加えている。 “Geobacterは電気を発生させるための2つの生物のよりよいですが、Clostridiumは電気合成の適用によく適しています。しかし、研究者がまだ知らないのは、クロストリジウムがどのようにして電子を細胞に出入りさせるかということです。 この生物はShewanellaやGeobacterのような分子線を産生しません。 “クロストリジウムはShewanellaとは全く異なる外部化学を持っているように見え、それがどのように機能するかを明らかにすることは、我々が今後数年間で達成したいと考えているものです”。

バイオ生産の最適化

UMassチームの大きな技術的ブレークスルーの一つは、科学者が遺伝的に微生物が非常に単純な有機化合物を生成し、より複雑な炭化水素に変換するためにCO2と電気エネルギーを使用するようにクロストリジウム種を改変することを可能にする生物工学プラットフォームの開発で、昨年来ました。 “それはあなたが望む化合物を製造するために細胞を指示するために、いくつかの遺伝子を取り出し、他の人を入れることができるという点で、他の細菌を操作するのと同じ基本的な考え方です、または簡単に最終製品に変更することができる前駆体またはビルディングブロックを作る。”

さらに、GeobacterやShewanellaなどの種によって産生されるナノフィラメントの構造へのさらなる洞察は、生物学とエレクトロニクスとの界面への全く新しいア 例えば、Lovley教授は、Geobacterはトランジスタ特性を示し、電子貯蔵のためのスーパーキャパシタとして機能することがわかっていると示唆しています。

“これは、大量生産のために安価な原料から微生物電子部品を成長させる可能性に役立ちます。 微生物ワイヤーは生物的蛋白質のために非常に耐久であり、bioelectronicsに水で機能であることの加えられた利点があります。”しかし、彼は強調し、そのような技術の実用化はまだ概念的な段階にあります。

それでは、これらの泥や土壌に生息する微生物は、すべての人にとって安価なエネルギーの約束を表していますか? これらの細菌が電流を生成する能力は、微生物燃料電池ベースのバイオセンサーや小規模なバイオバッテリーの開発に有用であるかもしれないが、DEETが現実的に電気のための世界の渇きを癒すことはまずないようだ。 Geobacter、Clostridium、Shewanellaは、バイオレメディエーションや廃水浄化、貴重な工業用化合物、中間体、燃料の合成などの分野で、より広範で商業的に実行可能な用途がある可能性

ジャガイモ駆動の時計は、私たちのほとんどの子供時代の生物学の教訓からの懐かしいフラッ 細菌呼吸の新しい側面の力学への新しい洞察は、産業排水や海底堆積物から電気を発生させることができる微生物発電所や、太陽光発電と二酸化炭素…

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