Bio-baterii: crearea de energie din bacterii

ceasul alimentat cu cartofi este un flashback nostalgic din lecțiile de biologie din copilărie ale majorității dintre noi, dar un mic grup de oameni de știință cred că generarea de energie electrică din organismele bacteriene ar putea deveni o opțiune viabilă.noi perspective asupra mecanicii unui aspect nou al respirației bacteriene ar putea ajuta la accelerarea dezvoltării centralelor electrice microbiene capabile să genereze electricitate din apele uzate industriale sau sedimentele de pe fundul mării și fabricile bacteriene care produc substanțe chimice și combustibili de mare valoare folosind doar energie solară și dioxid de carbon.cercetările recente raportate de echipa doctorului Tom Clarke de la Departamentul de științe Biologice al Universității East Anglia au arătat cum mii de fire moleculare mici încorporate în suprafața unei bacterii numite Shewanella oneidensis pot transmite direct un curent electric către minerale anorganice, cum ar fi oxizii de fier și mangan sau suprafața electrozilor. Fenomenul, cunoscut sub numele de transfer direct de electroni extracelulari (DEET), apare din cauza modului în care unele bacterii care trăiesc în medii lipsite de oxigen exportă electroni care sunt generați prin ciclul lor respirator. Exemplele includ Shewanella și unele specii ale unei alte bacterii cunoscute sub numele de Geobacter.respirația celulară are loc în toate organismele vii și implică o serie ciclică de reacții chimice care au loc în celulele corpului pentru a transforma energia biochimică luată ca hrană sau nutrienți într-o sursă de energie pe care celulele o pot folosi pentru a alimenta toate procesele biochimice pe care le desfășoară.

acest proces generează electroni în exces care, în majoritatea organismelor, sunt trecuți la oxigen (generând apă ca produs secundar) sau, în cazul microbilor care trăiesc într-un mediu fără oxigen, cum ar fi sedimentele de noroi, electronii sunt trecuți la alți ioni minerali preluați de celulă. Ceea ce oamenii de știință au descoperit în ultimii ani, totuși, este că o serie de microorganisme au dezvoltat modalități de a exporta direct excesul de electroni din celulă. Ei fac acest lucru prin deplasarea electronilor de-a lungul firelor moleculare mici care ies la aproximativ 2,5 nm de suprafața celulei.

celule microbiene de combustibil

cresc aceste bacterii pe un electrod și veți ajunge efectiv cu anodul jumătate de baterie. Cuplați acest anod cu un catod, alimentați bacteriile cu materie organică pe bază de carbon, să zicem, din apele uzate industriale, și puteți construi o celulă de combustibil microbiană, sau MFC, care generează electricitate, deși în cantități mici.Shewanella oneidensis, o bacterie care prosperă în medii contaminate cu metale grele, este unul dintre organismele care prezintă această capacitate de transfer de electroni, iar munca grupului lui Clarke de la UEA, colaborând cu o echipă de la Departamentul de energie al SUA (DoE) Pacific Northwest National Laboratory, a arătat cum firele moleculare ale Shewanella pot transporta electroni din celulă pe o suprafață adecvată pe care bacteria crește.

“rezultatele experimentelor noastre au fost izbitoare”, susține dr.Clarke. “Aceste fire bacteriene sunt efectiv la fel ca cablajul dintr-o casă. Un curent curgea înapoi și înainte incredibil de repede și mult mai rapid decât este necesar pentru respirație.”valorificarea Shewanella ca sursă de energie electrică la o scară adecvată pentru aratul electricității înapoi într-un sistem național de rețea probabil că nu va fi fezabilă, pur și simplu pentru că organismele nu generează suficient curent”, continuă Dr.Clarke. Cu toate acestea, capacitatea lor de a da electroni metalelor și mineralelor poate fi exploatată pentru aplicații bioremediale, cum ar fi reducerea metalelor grele solubile prezente în sol în forme insolubile care nu se pot scurge în apele subterane. Aceasta este una dintre căile de cercetare pe care cercetătorii Laboratorului Pacific Northwest le urmăresc.

dar ceea ce este și mai interesant, susține el, este potențialul de a exploata procesul invers: punerea electronilor înapoi în bacterii precum Shewanella prin fire și ingineria genetică a microorganismelor pentru a produce compuși utili, inclusiv combustibili și precursori de polimeri, direct din dioxid de carbon.

cunoscută sub numele de electrosinteză microbiană, aceasta este practic o fotosinteză artificială, care este modul în care plantele generează zaharuri din lumina soarelui, CO2 și apă. Dar, mai degrabă decât lumina soarelui în sine, bacteriile vor accepta electronii ca sursă de energie, pe care îi folosesc pentru a produce compuși pe bază de carbon din CO2.

este deja fezabil din punct de vedere comercial să ‘cultivăm’ alge fotosintetice ca mijloc de producere a compușilor care pot fi transformați în combustibili sau alte produse. Cu toate acestea, după cum subliniază Clarke, această abordare înghite suprafețe mari de teren și este asociată cu degradarea mediului. În schimb, electrosinteza microbiană ar putea fi practic exploatată oriunde există lumina soarelui, folosind panouri fotovoltaice pentru a alimenta bacteriile și o sursă de apă și gaz CO2, (gazele reziduale industriale vor face bine) pentru a hrăni bacteriile astfel încât să poată produce produse pe bază de carbon.

Electrosinteza ca tehnologie este, de asemenea, distinctă de utilizarea altor bacterii, cum ar fi Escherichia coli și fermentarea drojdiei, pentru fabricarea compușilor chimici. “Bacteriile modificate genetic și drojdia sunt utilizate pe scară largă în mediile comerciale pentru a produce proteine și alți compuși, intermediari și chiar medicamente, dar nu fotosintetizează, așa că trebuie să le alimentați cu un fel de zahăr, ceea ce adaugă un cost semnificativ procesului”, explică Clarke. “În schimb, electricitatea este ieftină, iar CO2 este un produs rezidual al multor procese industriale și arderea combustibililor fosili. Dacă putem alimenta bacterii precum Shewanella cu electroni, de exemplu plasându-le pe electrozi conectați la panourile solare și oferindu-le CO2 ca sursă de carbon, am putea folosi practic acest proces fotosintetic artificial pentru a genera produse de mare valoare.”

o situație de câștig-câștig de mediu

valorificarea capacității Shewanella și a altor microorganisme de a trece electroni către și de la electrozi (și astfel dispozitivele la care sunt conectați) este un câmp cunoscut sub numele de electromicrobiologie. “Din punct de vedere al mediului, este o situație win-win”, spune profesorul Korneel Rabaey, de la Departamentul de tehnologie biochimică și microbiană al Universității din Gent.anterior fondator al Centrului pentru Electrosinteză microbiană de la Universitatea din Queensland, profesorul Rabaey a avut un rol esențial în implementarea unui sistem bioelectrochimic microbian la scară pilot (BES) la o fabrică de bere Foster din Yatala, Queensland, în urmă cu cinci ani. Această fabrică pilot a folosit bacterii pentru a genera energie electrică din apele uzate ale fabricii de bere și pentru a produce sodă caustică, de care fabrica de bere are nevoie în cantități mari pentru a-și curăța rezervoarele. Un proiect pilot similar a fost stabilit de atunci la o fabrică de fabricare a hârtiei, pentru a genera peroxidul de hidrogen necesar în procesul de producție.

activitatea universității din Queensland a condus în plus la crearea unei firme spin-out, Bilexys, care dezvoltă sisteme bioelectrochimice care cuplează tratarea apelor uzate cu producția de substanțe chimice la scară comercială. “Aceste instalații pilot demonstrează că acest concept va funcționa în lumea reală și ar putea oferi industriei opțiuni pentru generarea de substanțe chimice necesare la fața locului, cu un aport foarte mic de energie și beneficiul suplimentar al curățării deșeurilor în același timp”, comentează Prof.Rabaey. “Pe măsură ce mai multe dintre aceste fabrici pilot vor fi puse în funcțiune, tehnologia va fi văzută ca viabilă din punct de vedere comercial și va stimula dezvoltarea în continuare a noilor procese.”

biofactorii alimentate de electroni

este important să se facă distincția între conceptul generalizat de utilizare a bacteriilor pentru curățarea apelor uzate și utilizarea sintezei bioelectrochimice de către organisme precum Shewanella, subliniază Prof Rabaey. “Tratarea apelor uzate folosind bacterii anaerobe pentru a descompune conținutul organic este bine recunoscută și aplicată pe scară largă pentru a produce biogaz bogat în metan.”De fapt, există peste 3.000 de plante numai în Europa care produc biogaz în acest fel, folosind un amestec de bacterii care pot descompune compușii complexi de carbon în componente din ce în ce mai mici, subliniază el.

“ceea ce nu putem face încă este să fabricăm substanțe chimice curate și de mare valoare din apele uzate, iar aici sinteza bioelectrochimică de către bacterii precum Shewanella ar putea revoluționa producția de combustibili, biopolimeri și alte substanțe din apele uzate, folosind doar surse ieftine de energie electrică. Bacteriile pot produce deja câteva molecule mici, dar sperăm să inginerim genetic microorganismele astfel încât să producă molecule mai complexe, în același mod în care putem acum să inginerim drojdia și bacteria E. coli ca biofactorii. Cu toate acestea, cu sinteza bioelectrochimică nu este nevoie să conectăm zaharurile în organisme ca blocuri de construcție pentru fabricarea produsului final.”

munca pentru acest obiectiv este încă în fază incipientă, totuși. “Pe de o parte, avem bacterii precum Shewanella care pot realiza fotosinteza artificială folosind electricitate ieftină, dar care în prezent pot produce doar o gamă limitată de compuși utili”, spune Prof.Rabaey. “Pe de altă parte, avem un arsenal de microorganisme – cum ar fi E. coli și drojdie – care au mașinile biologice necesare pentru a produce un număr mare de compuși utili și care pot fi proiectate relativ ușor, dar care nu afișează mașinile de transfer de electroni necesare pentru a fi alimentate cu electricitate.”lucrările de dezvoltare a tehnologiilor care vor permite oamenilor de știință să modifice speciile de bacterii care acceptă electroni, inclusiv Shewanella, Geobacter și speciile bacteriei Clostridium, sunt pionierate de profesorul Derek Lovley de la Universitatea din Massachusetts (UMass) din Amherst, care a descoperit prima specie de Geobacter, cunoscută sub numele de Geobacter metallireducens, în sedimentele de nisip din râul Potomac în 1987.

conductivitatea bacteriană

profesorul Lovley conduce proiectul Geobacter (www.geobacter.org) la UMass, care investighează atât generarea de energie electrică-adică celula de combustibil microbiană-cât și capacitățile electrobiosintetice ale bacteriei. Geobacter excelează la generarea de energie electrică, dar gândirea profesorului Lovley o oglindește pe cea a lui Clarke și Rabaey, în sensul că el crede că este puțin probabil să vedem dezvoltarea stațiilor de epurare a apelor uzate bazate pe Geobacter sau Shewanella care generează cantități mari de energie electrică ca produs secundar. “Munca noastră privind celulele de combustibil microbiene se referă în principal la proiectele finanțate de Biroul de cercetare Navală din SUA, care se uită la recoltarea electricității din noroiul de pe fundul oceanului pentru a rula dispozitive de monitorizare, care necesită doar puțină energie.”o aplicație potențială a capacității de generare a energiei electrice a Geobacter ar putea fi dezvoltarea de senzori bioelectrici pentru compuși organici, sugerează Prof Lovley. “În acest tip de senzor, bacteriile ar fi cuplate la un electrod, iar un rezultat pozitiv ar fi înregistrat ca un curent electric mic.”Este un caz de gândire cum să exploatăm capacitățile generatoare de energie electrică ale organismelor relevante la scară mai mică, mai degrabă decât la scară mai mare. “Aplicațiile în care nu este nevoie să generați multă energie reprezintă oportunități bune pentru celulele de combustibil microbiene și organismele care pot efectua DEET.”

aplicațiile de bioremediere sunt, în schimb, multiple, subliniază Prof Lovley. Unul dintre proiectele UMass, în colaborare cu companiile petroliere, își propune să valorifice capacitatea Geobacter de a oxida materia organică ca mijloc de îndepărtare a contaminanților cu hidrocarburi din sol și din apele subterane. Lucrările echipelor UMass încearcă separat să cartografieze codul genetic al diferitelor specii de Geobacter, iar acest lucru ar trebui să ajute la prezicerea modului în care bacteriile se vor comporta în diferite condiții de mediu și să permită oamenilor de știință să determine cele mai bune tulpini ale activităților organismului, cum ar fi curățarea contaminanților specifici.cercetările UMass privind procesul de electrosinteză (introducerea electronilor înapoi în bacterii) sunt centrate pe alte microorganisme, cum ar fi speciile de Clostridium, care par mult mai potrivite decât Geobacter pentru aplicațiile în care organismele sunt alimentate cu electroni pentru a genera produse din dioxid de carbon, adaugă Prof Lovley. “Geobacter este cel mai bun dintre cele două organisme pentru generarea de energie electrică, în timp ce Clostridium este foarte potrivit pentru aplicațiile electrosintetice.”

ceea ce cercetătorii nu știu încă, totuși, este modul în care Clostridiul își primește electronii în și din celulă. Organismul nu produce fire moleculare precum Shewanella și Geobacter. “Clostridium pare să aibă o chimie exterioară total diferită de Shewanella, iar descoperirea modului în care funcționează este ceva ce sperăm să realizăm în următorii ani”.

optimizarea bioproducției

una dintre marile descoperiri tehnologice ale echipei UMass a venit anul trecut, odată cu dezvoltarea unei platforme de bioinginerie care va permite oamenilor de știință să modifice genetic speciile de Clostridium, astfel încât microorganismul să utilizeze CO2 și energia electrică pentru a produce compuși organici foarte simpli și pentru a-i transforma în hidrocarburi mai complicate. “Este aceeași idee de bază ca și manipularea altor bacterii, prin faptul că puteți scoate unele gene și le puteți pune pe altele, pentru a direcționa celula să producă compusul dorit sau să facă un precursor sau un bloc de construcție care poate fi ușor modificat în produsul final.”mai mult, informații suplimentare despre structura nanofilamentelor produse de specii precum Geobacter și Shewanella ar putea deschide calea către dezvoltarea microcircuitelor bazate pe cablarea biologică ca o abordare complet nouă a interfeței biologiei cu electronica. De exemplu, sugerează profesorul Lovley, s-a constatat că Geobacter prezintă proprietăți ale tranzistorului și poate funcționa ca supercondensatori pentru stocarea electronilor.

“Acest lucru se pretează la potențialul de a crește componente electronice microbiene din materii prime ieftine, pentru producția de masă. Firele microbiene sunt extraordinar de durabile pentru o proteină biologică, iar bioelectronica are avantajul suplimentar de a fi funcțională în apă.”Cu toate acestea, subliniază el, aplicațiile practice ale unor astfel de tehnologii sunt încă în stadiul conceptual.

deci, aceste microorganisme care locuiesc în noroi și sol reprezintă o promisiune de energie ieftină pentru toți? Pare puțin probabil ca DEET să potolească în mod realist setea lumii de electricitate, deși capacitatea acestor bacterii de a genera un curent electric se poate dovedi utilă pentru dezvoltarea biosenzorilor pe bază de celule de combustibil microbiene și a biobateriilor la scară mică. Ceea ce este mult mai probabil este că Geobacter, Clostridium și Shewanella vor avea aplicații mult mai răspândite și viabile din punct de vedere comercial în domenii precum bioremedierea și curățarea apelor uzate și sinteza compușilor industriali valoroși, intermediari și combustibili.

ceasul alimentat cu cartofi este un flashback nostalgic din lecțiile de biologie din copilărie ale majorității dintre noi, dar un mic grup de oameni de știință cred că generarea de energie electrică din organismele bacteriene ar putea deveni o opțiune viabilă.noi perspective asupra mecanicii unui aspect nou al respirației bacteriene ar putea ajuta la accelerarea…

ceasul alimentat cu cartofi este un flashback nostalgic din lecțiile de biologie din copilărie ale majorității dintre noi, dar un mic grup de oameni de știință cred că generarea de energie electrică din organismele bacteriene ar putea deveni o opțiune viabilă.noi perspective asupra mecanicii unui aspect nou al respirației bacteriene ar putea ajuta la accelerarea…

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.