Biobatterijen: energie opwekken uit bacteriën

De aardappelklok is een nostalgische flashback uit de biologielessen uit de kindertijd van de meesten van ons, maar een kleine groep wetenschappers gelooft dat het opwekken van elektriciteit uit bacteriële organismen een haalbare optie zou kunnen worden.

nieuwe inzichten in de mechanica van een nieuw aspect van bacteriële ademhaling kunnen helpen bij het versnellen van de ontwikkeling van microbiële energiecentrales die elektriciteit kunnen opwekken uit industrieel afvalwater of sedimenten op de zeebodem, en bacteriële fabrieken die hoogwaardige chemicaliën en brandstoffen produceren met alleen zonne-energie en kooldioxide.Recent onderzoek van Dr. Tom Clarke ‘s team aan de University of East Anglia’ s Department of Biological Sciences heeft aangetoond hoe duizenden kleine moleculaire draden ingebed in het oppervlak van een bacterie genaamd Shewanella oneidensis direct een elektrische stroom kunnen overbrengen naar anorganische mineralen zoals ijzer-en mangaanoxiden, of het oppervlak van elektroden. Het fenomeen, dat als directe extracellulaire elektronenoverdracht (DEET) wordt bekend, komt wegens de manier voor dat sommige bacteriën die in milieu ‘ s leven zonder zuurstof elektronen exporteren die door hun ademhalingscyclus worden geproduceerd. Voorbeelden zijn Shewanella, en sommige soorten van een andere bacterie bekend als Geobacter.

cellulaire ademhaling komt voor in alle levende organismen, en omvat een cyclische reeks chemische reacties die plaatsvinden in de cellen van een lichaam om biochemische energie die als voedsel of nutriënten wordt opgenomen om te zetten in een energiebron die cellen kunnen gebruiken om alle biochemische processen die zij uitvoeren te voeden.

dit proces genereert overtollige elektronen die, in de meeste organismen, worden doorgegeven aan zuurstof (het genereren van water als een bijproduct) of, in het geval van microben die een zuurstofvrije omgeving zoals moddersedimenten leven, worden de elektronen doorgegeven aan andere minerale ionen die door de cel worden opgenomen. Wat wetenschappers de afgelopen jaren hebben gevonden, is echter dat een waaier van micro-organismen manieren hebben ontwikkeld om de overtollige elektronen van de cel direct te exporteren. Ze doen dit door de elektronen langs kleine moleculaire draden te shuttlen die ongeveer 2,5 nm van het celoppervlak uitsteken.

microbiële brandstofcel

kweek deze bacteriën op een elektrode en je eindigt effectief met de anode helft van een batterij. Koppel deze anode aan een kathode, voedt de bacteriën met koolstofhoudend organisch materiaal, bijvoorbeeld uit industrieel afvalwater, en je kunt een microbiële brandstofcel, of MFC, bouwen die elektriciteit genereert, zij het in kleine hoeveelheden.

Shewanella oneidensis, een bacterie die gedijt in omgevingen die verontreinigd zijn met zware metalen, is een van de organismen die dit elektron-shuttling vermogen vertoont, en het werk van Clarke ‘s groep aan de UEA, in samenwerking met een team van het Amerikaanse Department of Energy’ S (DoE) Pacific Northwest National Laboratory, heeft aangetoond hoe de moleculaire draden van Shewanella elektronen uit de cel kunnen transporteren naar een geschikt oppervlak waarop de bacterie groeit.”de resultaten van onze experimenten waren opvallend,” beweert Dr Clarke. “Deze bacteriële draden zijn effectief net als de bedrading in een huis. Een stroom stroomde ongelooflijk snel heen en weer, en veel sneller dan nodig is voor de ademhaling.”

het benutten van Shewanella als een bron van elektriciteit op een schaal die geschikt is voor het terugploegen van elektriciteit in een nationaal netsysteem zal waarschijnlijk niet haalbaar zijn, simpelweg omdat de organismen niet genoeg stroom genereren, vervolgt Dr Clarke. Hun vermogen om elektronen aan metalen en mineralen te geven kan echter worden benut voor bioremediale toepassingen, zoals het reduceren van oplosbare zware metalen in de bodem tot onoplosbare vormen die niet in het grondwater kunnen uitlopen. Dit is een van de onderzoeksmogelijkheden die de onderzoekers van het Pacific Northwest laboratorium nastreven.

maar wat nog spannender is, beweert hij, is het potentieel om het omgekeerde proces te benutten: elektronen terugzetten in bacteriën zoals Shewanella door de draden, en genetisch engineering van de micro-organismen om nuttige verbindingen, met inbegrip van brandstoffen en polymeer voorlopers, rechtstreeks uit kooldioxide.

bekend als microbiële elektrosynthese, dit is in principe een kunstmatige fotosynthese, dat is hoe planten suikers genereren uit zonlicht, CO2 en water. Maar in plaats van zonlicht zelf, zullen de bacteriën elektronen accepteren als energiebron, die ze gebruiken om koolstof-gebaseerde verbindingen uit CO2 te produceren.

Het is al commercieel haalbaar om fotosynthetische algen te “kweken” als middel om verbindingen te produceren die kunnen worden omgezet in brandstoffen of andere producten. Echter, zoals Clarke erop wijst, deze aanpak verslindt grote gebieden van het land, en wordt geassocieerd met de achteruitgang van het milieu. In tegenstelling, microbiële elektrosynthese kan gemakkelijk worden benut overal waar er zonlicht is, door het gebruik van fotovoltaïsche panelen om de bacteriën, en een bron van water en CO2-gas, (industrieel afval gas zal goed doen) om de bacteriën te voeden, zodat ze op koolstof gebaseerde producten kunnen produceren.

Elektrosynthese als technologie onderscheidt zich ook van het gebruik van andere bacteriën zoals Escherichia coli en gistfermentatie voor de productie van chemische verbindingen. “Genetisch gemanipuleerde bacteriën en gist worden op grote schaal gebruikt in commerciële omgevingen voor de productie van eiwitten en andere verbindingen, tussenproducten en zelfs geneesmiddelen, maar ze niet fotosynthese, dus je moet ze brandstof met een soort suiker, die aanzienlijke kosten toevoegt aan het proces,” Clarke legt uit. “Elektriciteit is daarentegen goedkoop en CO2 is een afvalproduct van veel industriële processen en het verbranden van fossiele brandstoffen. Als we bacteriën zoals Shewanella kunnen voeden met elektronen, bijvoorbeeld door ze op elektroden te plaatsen die verbonden zijn met zonnepanelen, en ze CO2 als bron van koolstof kunnen geven, kunnen we dit kunstmatige fotosynthetische proces gemakkelijk gebruiken om hoogwaardige producten te genereren.”

een milieu win-winsituatie

het benutten van het vermogen van Shewanella en andere micro-organismen om elektronen van en naar elektroden (en dus de apparaten waarmee ze zijn verbonden) over te brengen is een veld dat bekend staat als elektromicrobiologie. “Vanuit een milieuperspectief is het een win-winsituatie”, zegt Professor Korneel Rabaey van de Faculteit biochemische en Microbiële Technologie van de Universiteit Gent.Professor Rabaey was eerder oprichter van het Centre for Microbial Electrosynthese aan de Universiteit van Queensland en speelde een belangrijke rol bij de implementatie van een pilot-scale microbial bioelectrochemical system (BES) – fabriek in een Foster ‘ s brewery in Yatala, Queensland, vijf jaar geleden. Deze proefinstallatie gebruikte bacteriën om elektriciteit op te wekken uit het eigen afvalwater van de brouwerij en om bijtende soda te produceren, die de brouwerij in grote hoeveelheden nodig heeft om zijn tanks te reinigen. Een soortgelijk proefproject is sindsdien opgezet in een papierfabriek om de waterstofperoxide te produceren die nodig is voor het productieproces.het werk van de Universiteit van Queensland heeft bovendien geleid tot de oprichting van een spin-outbedrijf, Bilexys, dat bio-elektrochemische systemen ontwikkelt die afvalwaterbehandeling koppelen aan de productie van chemicaliën op commerciële schaal. “Deze proefinstallaties laten zien dat het concept in de echte wereld zal werken en kunnen de industrie opties bieden voor het genereren van chemicaliën die ter plaatse nodig zijn, met zeer weinig energie-input en het extra voordeel van het tegelijkertijd opruimen van hun afval”, zegt prof. Rabaey. “Naarmate meer van deze proefinstallaties op gang komen, zal de technologie als commercieel levensvatbaar worden beschouwd en de verdere ontwikkeling van nieuwe processen stimuleren.”

Biofacturen aangedreven door elektronen

het is belangrijk onderscheid te maken tussen het algemene concept van het gebruik van bacteriën om afvalwater op te ruimen en het gebruik van bio-elektrochemische synthese door organismen zoals Shewanella, Prof Rabaey stresss. “De behandeling van afvalwater met anaerobe bacteriën om het organische gehalte af te breken is algemeen erkend en wordt op grote schaal toegepast om methaanrijk biogas te produceren.”In feite zijn er alleen al in Europa meer dan 3.000 installaties die op deze manier biogas produceren, met behulp van een mix van bacteriën die complexe koolstofverbindingen kunnen afbreken tot steeds kleinere componenten, merkt hij op.

” wat we nog niet kunnen doen is schone, hoogwaardige chemicaliën produceren uit afvalwater, en dit is waar Bio-elektrochemische synthese door bacteriën zoals Shewanella een revolutie zou kunnen teweegbrengen in de productie van brandstoffen, biopolymeren en andere stoffen uit afvalwater, met alleen goedkope bronnen van elektriciteit. De bacteriën kunnen al enkele kleine moleculen maken, maar we hopen de micro-organismen genetisch te ontwikkelen zodat ze complexere moleculen produceren, op dezelfde manier als we nu gist en de bacterie E. coli als biofactories kunnen ontwikkelen. Met Bio-elektrochemische synthese hoeven we echter geen suikers in de organismen te stoppen als bouwstenen om het eindproduct te produceren.”

werk in de richting van dit doel is echter nog in relatieve kindertijd. “Aan de ene kant hebben we bacteriën zoals Shewanella die kunstmatige fotosynthese kunnen uitvoeren met goedkope elektriciteit, maar die momenteel slechts een beperkt aantal nuttige verbindingen kunnen produceren,” zegt prof. Rabaey. “Aan de andere kant hebben we een arsenaal aan micro – organismen – zoals E. coli en gist-die de biologische machines hebben die nodig zijn om een groot aantal nuttige verbindingen te produceren, en die relatief gemakkelijk kunnen worden ontworpen, maar die niet de elektron-shuttling machines vertonen die nodig zijn om ze te voeden met elektriciteit.”

Work to develop the technologies that will allowed scientists to modify electron-accepting species of bacteria including Shewanella, Geobacter, and species of the bacterie Clostridium, is being pioneered by Professor Derek Lovley aan de University of Massachusetts (UMass) in Amherst, who discovered the first species of Geobacter, known as Geobacter metallireducens, in sand sediment in the Potomac river in 1987.

bacteriële geleidbaarheid

Professor Lovley leidt het Geobacter-project (www.geobacter.org) bij UMass, dat zowel de elektriciteitsproductie – d.w.z. microbiële brandstofcel – als de elektrobiosynthetische mogelijkheden van de bacterie onderzoekt. Geobacter blinkt uit in het opwekken van elektriciteit, maar het denken van prof. Lovley weerspiegelt dat van Clarke en Rabaey, in die zin dat hij gelooft dat het onwaarschijnlijk is dat we de ontwikkeling zullen zien van Geobacter – of Shewanella-gebaseerde afvalwaterzuiveringsinstallaties die grote hoeveelheden elektriciteit genereren als een bijproduct. “Ons werk aan microbiële brandstofcellen heeft voornamelijk betrekking op het Amerikaanse Office of Naval Research-gefinancierde projecten die kijken naar het oogsten van elektriciteit uit de modder op de bodem van de oceaan om bewakingsapparatuur te draaien, die slechts een beetje macht vereisen.”

een mogelijke toepassing van de elektriciteitsproductiecapaciteit van Geobacter zou de ontwikkeling van bio-elektrische sensoren voor organische verbindingen kunnen zijn, stelt prof. Lovley. “In dit type sensor zouden de bacteriën worden gekoppeld aan een elektrode, en een positief resultaat zou worden geregistreerd als een kleine elektrische stroom.”Het is een geval van denken hoe de elektriciteit-opwekking mogelijkheden van relevante organismen te benutten op de kleinere, in plaats van grotere schaal. “Toepassingen waarbij je niet veel energie hoeft te genereren, bieden goede kansen voor microbiële brandstofcellen en organismen die DEET kunnen uitvoeren.”

De bioremediatoepassingen zijn, in tegenstelling, spruitstuk, Prof Lovley spanningen. Een van de UMass-projecten, in samenwerking met oliemaatschappijen, is gericht op het benutten van het vermogen van Geobacter om organisch materiaal te oxideren als een middel om koolwaterstofcontaminanten uit bodem en grondwater te verwijderen. Het werk van de UMass-teams is afzonderlijk gericht op het in kaart brengen van de genetische code van verschillende soorten Geobacter, en dit moet helpen voorspellen hoe de bacteriën zich zullen gedragen onder verschillende omgevingsomstandigheden, en wetenschappers in staat stellen om de beste stammen van het organisme activiteiten te bepalen, zoals het opruimen van specifieke contaminanten.het UMass-onderzoek naar het proces van elektrosynthese (het terugvoeren van elektronen in de bacteriën) is gericht op andere micro-organismen, zoals Clostridium-soorten, die veel beter geschikt lijken dan Geobacter voor toepassingen waarbij de organismen worden gevoed met elektronen om producten te genereren uit kooldioxide, voegt prof. Lovley daaraan toe. “Geobacter is de beste van de twee organismen voor het genereren van elektriciteit, terwijl Clostridium is zeer geschikt voor elektrosynthetische toepassingen.”

wat de onderzoekers echter nog niet weten, is hoe Clostridium zijn elektronen in en uit de cel krijgt. Het organisme produceert geen moleculaire draden zoals Shewanella en Geobacter. “Clostridium lijkt een totaal andere buitenchemie te hebben dan Shewanella, en ontdekken hoe het werkt is iets wat we hopen te bereiken in de komende jaren”.een van de grote technologische doorbraken van het UMass-team kwam vorig jaar met de ontwikkeling van een bio-engineeringplatform dat wetenschappers in staat zal stellen de Clostridium-soorten genetisch te modificeren, zodat het micro-organisme de CO2 en elektrische energie zal gebruiken om zeer eenvoudige organische verbindingen te produceren en om te zetten in meer gecompliceerde koolwaterstoffen. “Het is hetzelfde basisidee als het manipuleren van andere bacteriën, in die zin dat je sommige genen eruit kunt halen en anderen erin kunt stoppen, om de cel te sturen om de verbinding te produceren die je wilt, of een voorloper of bouwsteen te maken die gemakkelijk kan worden gewijzigd in het eindproduct.”

bovendien kunnen verdere inzichten in de structuur van nanofilamenten geproduceerd door soorten zoals Geobacter en Shewanella de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van microcircuits gebaseerd op biologische bedrading als een volledig nieuwe benadering van de interfacing van biologie met elektronica. Bijvoorbeeld, Prof Lovley suggereert, Geobacter is gevonden om transistor eigenschappen vertonen, en kan functioneren als supercapacitoren voor elektronenopslag.

” Dit leent zich voor de mogelijkheid om microbiële elektronische componenten te kweken uit goedkope grondstoffen voor massaproductie. De microbiële draden zijn buitengewoon duurzaam voor een biologisch eiwit, en bio-elektronica hebben het extra voordeel om functioneel te zijn in water.”Echter, benadrukt hij, de praktische toepassingen van dergelijke technologieën zijn nog in de conceptuele fase.

dus, vertegenwoordigen deze modder-en bodembewonende micro-organismen een belofte van goedkope energie voor iedereen? Het lijkt onwaarschijnlijk dat DEET realistisch de dorst naar elektriciteit zal lessen, hoewel het vermogen van deze bacteriën om een elektrische stroom te genereren nuttig kan zijn voor de ontwikkeling van microbiële biosensoren op basis van brandstofcellen en kleinschalige biobatterijen. Wat veel waarschijnlijker is, is dat Geobacter, Clostridium en Shewanella veel meer wijdverspreide en commercieel levensvatbare toepassingen zullen hebben op gebieden zoals bioremediatie en afvalwaterzuivering, en de synthese van waardevolle industriële verbindingen, tussenproducten en brandstoffen.

De aardappelklok is een nostalgische flashback uit de biologielessen uit de kindertijd van de meesten van ons, maar een kleine groep wetenschappers gelooft dat het opwekken van elektriciteit uit bacteriële organismen een haalbare optie zou kunnen worden. nieuwe inzichten in de mechanica van een nieuw aspect van bacteriële ademhaling kunnen helpen bij het versnellen van…

De aardappelklok is een nostalgische flashback uit de biologielessen uit de kindertijd van de meesten van ons, maar een kleine groep wetenschappers gelooft dat het opwekken van elektriciteit uit bacteriële organismen een haalbare optie zou kunnen worden. nieuwe inzichten in de mechanica van een nieuw aspect van bacteriële ademhaling kunnen helpen bij het versnellen van…

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.