Biobatterier: å skape energi fra bakterier

den potetdrevne klokken er et nostalgisk tilbakeblikk fra barndomsbiologi leksjonene til de fleste av oss, men en liten gruppe forskere mener at generering av elektrisitet fra bakterielle organismer kan bli et levedyktig alternativ.Ny innsikt i mekanikken i et nytt aspekt av bakteriell respirasjon kan bidra til å øke utviklingen av mikrobielle kraftverk som er i stand til å generere elektrisitet fra industrielt avløpsvann eller havbunnssedimenter, og bakteriefabrikker som produserer høyverdige kjemikalier og brensel ved hjelp av bare solenergi og karbondioksid.Nylig forskning rapportert Av Dr Tom Clarkes team ved University Of East Anglia Institutt For Biologiske Vitenskap har vist hvordan tusenvis av små molekylære ledninger innebygd i overflaten Av en bakterie kalt Shewanella oneidensis kan direkte overføre en elektrisk strøm til uorganiske mineraler som jern-og manganoksider, eller overflaten av elektroder. Fenomenet, kjent som direkte ekstracellulær elektronoverføring (DEET), oppstår på grunn av måten at noen bakterier som lever i miljøer mangler oksygeneksportelektroner som genereres gjennom deres respiratoriske syklus. Eksempler er Shewanella, og noen arter Av en annen bakterie kjent Som Geobacter.Cellulær respirasjon forekommer i alle levende organismer, og involverer en syklisk serie kjemiske reaksjoner som finner sted i kroppens celler for å konvertere biokjemisk energi tatt inn som mat eller næringsstoffer til en energikilde som celler kan benytte seg av for å drive alle de biokjemiske prosessene de utfører.denne prosessen genererer overskytende elektroner som i de fleste organismer sendes til oksygen (genererer vann som et biprodukt) eller, når det gjelder mikrober som lever et oksygenfritt miljø som slamsedimenter, sendes elektronene til andre mineralioner tatt inn av cellen. Hva forskere har funnet de siste årene, er imidlertid at en rekke mikroorganismer har utviklet måter å direkte eksportere overskytende elektroner fra cellen. De gjør dette ved å skyttle elektronene langs små molekylære ledninger som stikker ut ca 2,5 nm fra celleoverflaten.

Mikrobiell brenselcelle

Dyrk disse bakteriene på en elektrode, og du ender effektivt med anoden halvparten av et batteri. Koble denne anoden til en katode, mate bakteriene med karbonbasert organisk materiale, si fra industrielt avløpsvann, og du kan konstruere en mikrobiell brenselcelle eller MFC som genererer elektrisitet, om enn i små mengder.Shewanella oneidensis, en bakterie som trives i miljøer forurenset av tungmetaller, er en av organismene som viser denne elektronskyttingskapasiteten, Og Arbeidet Fra Clarkes gruppe VED UEA, som samarbeider med et team VED Us Department of Energy (DoE) Pacific Northwest National Laboratory, har vist hvordan Shewanellas molekylære ledninger kan transportere elektroner ut av cellen til en egnet overflate som bakterien vokser på.”resultatene fra våre eksperimenter var slående,” Dr Clarke hevder. “Disse bakterielle ledningene er effektivt akkurat som ledninger i et hus. En strøm strømmet frem og tilbake utrolig raskt, og mye raskere enn det som trengs for åndedrett.”Å Utnytte Shewanella som en kilde til elektrisitet i en skala som er egnet for å pløye elektrisitet tilbake til et nasjonalt rutenett, vil sannsynligvis ikke være mulig, bare fordi organismene ikke genererer nok strøm, Fortsetter Dr Clarke. Imidlertid kan deres evne til å gi elektroner til metaller og mineraler utnyttes for bioremediale applikasjoner, for eksempel reduksjon av oppløselige tungmetaller tilstede i jord i uoppløselige former som ikke kan lekke inn i grunnvannet. Dette er en av veiene for forskning Som Pacific Northwest Laboratory forskere forfølger.Men det som er enda mer spennende, hevder han, er potensialet til å utnytte den omvendte prosessen: setter elektroner tilbake i bakterier som Shewanella gjennom ledningene, og genetisk prosjekterer mikroorganismer for å lage nyttige forbindelser, inkludert brensel og polymerforløpere, direkte fra karbondioksid.kjent som mikrobiell elektrosyntese, er dette i utgangspunktet en kunstig fotosyntese, som er hvordan planter genererer sukker fra sollys, CO2 og vann. Men i stedet for sollys selv, vil bakteriene akseptere elektroner som en strømkilde, som de bruker til å produsere karbonbaserte forbindelser FRA CO2.det er allerede kommersielt mulig å ‘dyrke’ fotosyntetiske alger som et middel til å produsere forbindelser som kan omdannes til drivstoff eller andre produkter. Men Som Clarke påpeker, svelger denne tilnærmingen store landområder, og er forbundet med miljøforringelse. I kontrast kan mikrobiell elektrosyntese utnyttes hvor som helst det er sollys, ved å bruke fotovoltaiske paneler for å drive bakteriene, og en kilde til vann og CO2-gass (industriell avfallsgass vil gjøre det bra) for å mate bakteriene slik at de kan produsere karbonbaserte produkter.Elektrosyntese som teknologi er også forskjellig fra bruken av andre bakterier som Escherichia coli, og gjærgæring, for fremstilling av kjemiske forbindelser. “Genetisk utviklede bakterier og gjær brukes mye i kommersielle innstillinger for å produsere proteiner og andre forbindelser, mellomprodukter og til og med stoffer, men de fotosynteserer ikke, så du må brenne dem med et sukker av noe slag, noe som gir betydelig kostnad for prosessen,” Forklarer Clarke. “I motsetning til dette er elektrisitet billig, OG CO2 er et avfallsprodukt fra mange industrielle prosesser og forbrenning av fossilt brensel. Hvis vi kan slå opp bakterier som Shewanella med elektroner, for eksempel ved å plassere dem på elektroder koblet til solcellepaneler, og gi DEM CO2 SOM en kilde til karbon, kan vi feasibly bruke denne kunstige fotosyntetiske prosessen for å generere høyverdige produkter.”

en miljø vinn-vinn-situasjon

Utnytte evnen Til Shewanella og andre mikroorganismer til å passere elektroner til og fra elektroder (og dermed enhetene de er koblet til) er et felt kjent som elektromikrobiologi. “Fra et miljøperspektiv er det en vinn-vinn-situasjon,” sier Professor Korneel Rabaey, Ved Universitetet I Gents Institutt for Biokjemisk Og Mikrobiell Teknologi.Tidligere en grunnlegger Av Senter For Mikrobiell Elektrosyntese ved University Of Queensland, Var Professor Rabaey medvirkende til implementeringen av en pilotskala mikrobiell bioelektrokjemisk system (BES) plante på Et Fosters bryggeri I Yatala, Queensland, for fem år siden. Dette pilotanlegget brukte bakterier til å generere elektrisk kraft fra bryggeriets eget avløpsvann, og produsere kaustisk soda, som bryggeriet trenger i store mengder for å rense sine tanker. Et lignende pilotprosjekt har siden blitt etablert på et papirfabrikk, for å generere hydrogenperoksidet som kreves i produksjonsprosessen.University Of Queenslands arbeid har i tillegg ført til etableringen Av Et spin-out firma, Bilexys, som utvikler bioelektrokjemiske systemer som kombinerer avløpsvannbehandling med kommersiell produksjon av kjemikalier. “Disse pilotanleggene demonstrerer at konseptet vil fungere i den virkelige verden, og kan gi industrien muligheter for å generere kjemikalier som kreves på stedet, med svært lite energiinngang, og den ekstra fordelen av å rydde opp avfallet samtidig,” sier Rabaey. “Etter hvert som flere av disse pilotanleggene kommer i produksjon, vil teknologien bli sett på som kommersielt levedyktig og anspore videre utvikling av nye prosesser.”

Biofaktorer drevet av elektroner

Det er viktig å skille mellom det generaliserte konseptet med å bruke bakterier til å rydde opp avløpsvann, og bruken av bioelektrokjemisk syntese av organismer som Shewanella, Understreker Prof Rabaey. “Behandlingen av avløpsvann ved hjelp av anaerobe bakterier for å bryte ned det organiske innholdet er godt anerkjent, og brukes mye for å produsere metanrik biogass.”Faktisk er det i overkant av 3000 planter i Europa alene som produserer biogass på denne måten, ved hjelp av en blanding av bakterier som kan bryte ned komplekse karbonforbindelser i stadig mindre komponenter, påpeker han.”det vi ennå ikke kan gjøre er å produsere rene, verdifulle kjemikalier fra avløpsvann, og det er her bioelektrokjemisk syntese av bakterier som Shewanella kan revolusjonere produksjonen av drivstoff, biopolymerer og andre stoffer fra avløpsvann, ved hjelp av bare billige strømkilder. Bakteriene kan allerede lage noen små molekyler, men vi håper å genetisk konstruere mikroorganismer slik at de produserer mer komplekse molekyler, på samme måte som vi nå kan konstruere gjær og bakterien E. coli som biofaktorer. Men med bioelektrokjemisk syntese trenger vi ikke å plugge sukker i organismene som byggesteiner for at de skal kunne produsere sluttproduktet.”

Arbeid mot dette målet er imidlertid fortsatt i relativ barndom. “På den ene siden har vi bakterier Som Shewanella som kan utføre kunstig fotosyntese ved hjelp av billig elektrisitet, men det kan for tiden bare produsere et begrenset utvalg av nyttige forbindelser,” sier Prof Rabaey. “På den annen side har vi et arsenal av mikroorganismer – som E. coli og gjær – som har det biologiske maskineriet som er nødvendig for å produsere et stort antall nyttige forbindelser, og som kan konstrueres relativt enkelt, men som ikke viser elektronskyttemaskineriet som kreves for at de skal bli drevet med elektrisitet.”Arbeidet med å utvikle teknologiene som gjør det mulig for forskere å modifisere elektron-aksepterende bakteriearter, inkludert Shewanella, Geobacter Og arter av bakterien Clostridium, blir pionerer Av Professor Derek Lovley ved University Of Massachusetts (UMass) Ved Amherst, som oppdaget Den første arten Av Geobacter, kjent Som Geobacter metallireducens, i sandsediment I Potomac-elven i 1987.

Bakteriell ledningsevne

Professor Lovley spydspisser Geobacter prosjektet (www.geobacter.org) Ved UMass, som undersøker både elektrisitetsgenererende-dvs. mikrobiell brenselcelle-og elektrobiosyntetiske evner av bakterien. Geobacter utmerker seg ved å generere elektrisitet, Men Prof Lovleys tenkning speiler Clarke Og Rabaey, ved at han mener det er usannsynlig at vi ser utviklingen Av Geobacter – eller Shewanella-baserte avløpsrensingsanlegg som genererer store mengder elektrisitet som biprodukt. “Vårt arbeid med mikrobielle brenselceller relaterer seg hovedsakelig TIL Us Office Of Naval Research-finansierte prosjekter som ser på høsting av elektrisitet fra gjørmen på bunnen av havet for å kjøre overvåkingsenheter, som bare krever litt strøm.”En potensiell anvendelse Av geobacter’ s elektrisitetsgenererende kapasitet kan være utvikling Av bioelektriske sensorer for organiske forbindelser, Foreslår Prof Lovley. “I denne typen sensor vil bakteriene bli koblet til en elektrode, og et positivt resultat vil bli registrert som en liten elektrisk strøm.”Det er et tilfelle å tenke på hvordan man utnytter de elektrisitetsgenererende egenskapene til relevante organismer på mindre, i stedet for større skala. “Applikasjoner der du ikke trenger å generere mye kraft, representerer gode muligheter for mikrobielle brenselceller og organismer som kan utføre DEET.”

bioremedieringsapplikasjonene er derimot mangfoldige, Prof Lovley stresser. Et Av UMass-prosjektene, i samarbeid med oljeselskaper, har som mål Å utnytte Geobacter ‘ s evne Til å oksidere organisk materiale som et middel til å fjerne hydrokarbonforurensninger fra jord og grunnvann. Arbeid Av UMass-lagene forsøker separat å kartlegge den genetiske koden til Forskjellige Geobacter-arter, og dette bør bidra til å forutsi hvordan bakteriene vil oppføre seg under forskjellige miljøforhold, og tillate forskere å bestemme de beste stammene til organismens aktiviteter som å rydde opp bestemte forurensninger.UMass forskning på prosessen med elektrosyntese (å sette elektroner tilbake i bakteriene) er sentrert på andre mikroorganismer, for eksempel arter Av Clostridium, som virker mye bedre egnet Enn Geobacter til applikasjoner der organismene er drevet med elektroner for å generere produkter fra karbondioksid, legger Prof Lovley til. “Geobacter er den bedre av de to organismene for å generere elektrisitet, mens Clostridium er godt egnet til elektrosyntetiske applikasjoner.”Hva forskerne ennå ikke vet, er imidlertid hvordan Clostridium får sine elektroner inn og ut av cellen. Organismen produserer ikke molekylære ledninger Som Shewanella Og Geobacter. “Clostridium ser ut Til å ha en helt annen utenfor kjemi Til Shewanella, og avdekke hvordan det fungerer er noe vi håper å oppnå i løpet Av de kommende årene”.

Optimalisering av bioproduksjon

En Av UMass-lagets store teknologiske gjennombrudd kom i fjor, med utvikling av en bioengineering plattform som vil tillate forskere å genetisk modifisere Clostridium arter slik at mikroorganismen vil bruke CO2 og elektrisk energi til å produsere svært enkle organiske forbindelser og konvertere dem til mer kompliserte hydrokarboner. “Det er den samme grunnleggende ideen som å manipulere andre bakterier, ved at du kan ta noen gener ut og sette andre inn, for å lede cellen til å produsere forbindelsen du vil ha, eller lage en forløper eller byggestein som lett kan endres til sluttproduktet.”Videre kan ytterligere innsikt i strukturen av nanofilamenter produsert av arter Som Geobacter Og Shewanella bane vei for utvikling av mikrokrets basert på biologiske ledninger som en helt ny tilnærming til grensesnitt biologi med elektronikk. For Eksempel Foreslår Prof Lovley, Geobacter Har vist seg å vise transistoregenskaper, og kan fungere som superkondensatorer for elektronlagring.”Dette gir seg muligheten til å vokse mikrobielle elektroniske komponenter fra billige råvarer, for masseproduksjon. De mikrobielle ledningene er ekstraordinært holdbare for et biologisk protein, og bioelektronikk har den ekstra fordelen av å være funksjonell i vann.”Men han understreker at de praktiske anvendelsene av slike teknologier fortsatt er på konseptstadiet.

så representerer disse gjørme-og jordbeboende mikroorganismer et løfte om billig energi for alle? DET virker usannsynlig AT DEET realistisk vil slukke verdens tørst etter elektrisitet, selv om disse bakterienes evne til å generere en elektrisk strøm kan vise seg å være nyttig for å utvikle mikrobielle brenselcellebaserte biosensorer og småskala biobatterier. Det som er langt mer sannsynlig er At Geobacter, Clostridium og Shewanella vil ha mye mer utbredt og kommersielt levedyktige applikasjoner innen områder som bioremediering og rensing av avløpsvann, og syntese av verdifulle industrielle forbindelser, mellomprodukter og drivstoff.

den potetdrevne klokken er et nostalgisk tilbakeblikk fra barndomsbiologi leksjonene til de fleste av oss, men en liten gruppe forskere mener at generering av elektrisitet fra bakterielle organismer kan bli et levedyktig alternativ.Ny innsikt i mekanikken i et nytt aspekt av bakteriell respirasjon kan bidra til å øke utviklingen av mikrobielle kraftverk som er i…

den potetdrevne klokken er et nostalgisk tilbakeblikk fra barndomsbiologi leksjonene til de fleste av oss, men en liten gruppe forskere mener at generering av elektrisitet fra bakterielle organismer kan bli et levedyktig alternativ.Ny innsikt i mekanikken i et nytt aspekt av bakteriell respirasjon kan bidra til å øke utviklingen av mikrobielle kraftverk som er i…

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert.