Bio-batterier: skapa energi från bakterier

den potatisdrivna klockan är en nostalgisk flashback från barndomsbiologilektionerna hos de flesta av oss, men en liten grupp forskare tror att elproduktion från bakterieorganismer kan bli ett genomförbart alternativ.nya insikter i mekaniken i en ny aspekt av bakteriell andning kan hjälpa till att påskynda utvecklingen av mikrobiella kraftverk som kan generera el från industriellt avloppsvatten eller sediment på havsbotten och bakteriefabriker som tillverkar kemikalier och bränslen med högt värde med bara solenergi och koldioxid.ny forskning som rapporterats av Dr Tom Clarkes team vid University of East Anglia Department of Biological Sciences har visat hur tusentals små molekylära ledningar inbäddade i ytan av en bakterie som kallas Shewanella oneidensis direkt kan överföra en elektrisk ström till oorganiska mineraler som järn-och manganoxider eller elektrodens yta. Fenomenet, känt som direkt extracellulär elektronöverföring (DEET), uppstår på grund av det sätt som vissa bakterier lever i miljöer som saknar syreexportelektroner som genereras genom deras andningscykel. Exempel inkluderar Shewanella och vissa arter av en annan bakterie som kallas Geobacter.

cellulär andning förekommer i alla levande organismer och involverar en cyklisk serie kemiska reaktioner som äger rum i kroppens celler för att omvandla biokemisk energi som tas in som mat eller näringsämnen till en energikälla som celler kan utnyttja för att driva alla biokemiska processer de utför.

denna process genererar överskott av elektroner som i de flesta organismer överförs till syre (genererar vatten som en biprodukt) eller, i fallet med mikrober som lever en syrefri miljö, såsom lera sediment, överförs elektronerna till andra mineraljoner som tas in av cellen. Vad forskare har funnit under de senaste åren är dock att en rad mikroorganismer har utvecklat sätt att direkt exportera överskott av elektroner från cellen. De gör detta genom att shuttling elektronerna längs små molekylära ledningar som sticker ut ca 2.5 nm från cellytan.

mikrobiell bränslecell

odla dessa bakterier på en elektrod och du slutar effektivt med anodhalvan av ett batteri. Koppla denna anod till en katod, mata bakterierna med kolbaserat organiskt material, säg från industriellt avloppsvatten, och du kan konstruera en mikrobiell bränslecell, eller MFC, som genererar el, om än i små mängder.Shewanella oneidensis, en bakterie som trivs i miljöer som är förorenade av tungmetaller, är en av organismerna som visar denna elektron-shuttling-förmåga, och arbetet av Clarkes grupp vid UEA, som samarbetar med ett team vid US Department of Energy (DoE) Pacific Northwest National Laboratory, har visat hur Shewanellas molekylära ledningar kan transportera elektroner ut ur cellen till en lämplig yta på vilken bakterien växer.

“resultaten från våra experiment var slående”, hävdar Dr Clarke. “Dessa bakteriella ledningar är effektivt precis som ledningarna i ett hus. En ström flödade bakåt och framåt otroligt snabbt och mycket snabbare än vad som behövs för andning.”att utnyttja Shewanella som en källa till el i en skala som är lämplig för att plöja El tillbaka till ett nationellt nätsystem kommer förmodligen inte att vara genomförbart, helt enkelt för att organismerna inte genererar tillräckligt med ström, fortsätter Dr Clarke. Men deras förmåga att ge elektroner till metaller och mineraler kan utnyttjas för bioremediala applikationer, såsom reduktion av lösliga tungmetaller som finns i jord till olösliga former som inte kan läcka ut i grundvattnet. Detta är en av de forskningsvägar som Pacific Northwest Laboratory forskare bedriver.

men det som är ännu mer spännande, hävdar han, är potentialen att utnyttja den omvända processen: att sätta elektroner tillbaka i bakterier som Shewanella genom ledningarna och genetiskt konstruera mikroorganismerna för att göra användbara föreningar, inklusive bränslen och polymerprekursorer, direkt från koldioxid.

känd som mikrobiell elektrosyntes, detta är i grunden en artificiell fotosyntes, vilket är hur växter genererar socker från solljus, CO2 och vatten. Men snarare än solljus i sig kommer bakterierna att acceptera elektroner som en kraftkälla, som de använder för att producera kolbaserade föreningar från CO2.

det är redan möjligt kommersiellt att ‘odla’ fotosyntetiska alger som ett sätt att producera föreningar som kan omvandlas till bränslen eller andra produkter. Men som Clarke påpekar sväljer detta tillvägagångssätt stora markområden och är förknippat med miljöförstöring. Däremot kan mikrobiell elektrosyntes utnyttjas var som helst där det finns solljus, genom att använda fotovoltaiska paneler för att driva bakterierna och en källa till vatten och CO2-gas (industriell avfallsgas kommer att göra snyggt) för att mata bakterierna så att de kan tillverka kolbaserade produkter.Elektrosyntes som teknik skiljer sig också från användningen av andra bakterier såsom Escherichia coli och jästfermentering för tillverkning av kemiska föreningar. “Genetiskt modifierade bakterier och jäst används i stor utsträckning i kommersiella miljöer för att tillverka proteiner och andra föreningar, mellanprodukter och till och med droger, men de fotosynteserar inte, så du måste bränna dem med ett socker av något slag, vilket ger betydande kostnader för processen”, förklarar Clarke. “Däremot är El billigt och CO2 är en avfallsprodukt från många industriella processer och förbränning av fossila bränslen. Om vi kan driva upp bakterier som Shewanella med elektroner, till exempel genom att placera dem på elektroder anslutna till solpaneler och ge dem CO2 som en källa till KOL, kan vi möjligen använda denna artificiella fotosyntetiska process för att generera högvärdiga produkter.”

en miljö win-win situation

utnyttja förmågan hos Shewanella och andra mikroorganismer att passera elektroner till och från elektroder (och därmed de enheter de är anslutna till) är ett fält som kallas elektromikrobiologi. “Ur ett miljöperspektiv är det en win-win-situation”, säger Professor Korneel Rabaey, vid universitetet i Gents avdelning för biokemisk och mikrobiell teknik.tidigare en grundare av Center for Microbial Electrosynthesis vid University of Queensland, var Professor Rabaey medverkande i genomförandet av en pilotskala mikrobiell bioelektrokemisk system (BES) anläggning vid ett Fosters bryggeri i Yatala, Queensland, för fem år sedan. Denna pilotanläggning använde bakterier för att generera elektrisk kraft från bryggeriets eget avloppsvatten och producera kaustisk soda, som bryggeriet behöver i stora mängder för att rengöra sina tankar. Ett liknande pilotprojekt har sedan dess etablerats vid en papperstillverkningsanläggning för att generera den väteperoxid som krävs i produktionsprocessen.University of Queenslands arbete har dessutom lett till skapandet av ett spin-out-företag, Bilexys, som utvecklar bioelektrokemiska system som kopplar avloppsrening med kommersiell produktion av kemikalier. “Dessa pilotanläggningar visar att konceptet kommer att fungera i den verkliga världen och kan ge industrin alternativ för att generera kemikalier som krävs på plats, med mycket liten energiinmatning och den extra fördelen att städa upp sitt avfall samtidigt,” kommenterar Prof Rabaey. “När fler av dessa pilotanläggningar kommer i drift kommer tekniken att ses som kommersiellt livskraftig och stimulera vidareutveckling av nya processer.”

Biofabriker som drivs av elektroner

det är viktigt att skilja mellan det generella konceptet att använda bakterier för att städa upp avloppsvatten och användningen av bioelektrokemisk syntes av organismer som Shewanella, Prof Rabaey stressar. “Behandlingen av avloppsvatten med anaeroba bakterier för att bryta ner det organiska innehållet är välkänt och tillämpas allmänt för att producera metanrik biogas.”Faktum är att det bara finns över 3 000 anläggningar i Europa som producerar biogas på detta sätt, med hjälp av en blandning av bakterier som kan bryta ner komplexa kolföreningar till allt mindre komponenter, påpekar han.

” vad vi ännu inte kan göra är att tillverka rena, värdefulla kemikalier från avloppsvatten, och det är här bioelektrokemisk syntes av bakterier som Shewanella kan revolutionera produktionen av bränslen, biopolymerer och andra ämnen från avloppsvatten, med bara billiga elkällor. Bakterierna kan redan göra några små molekyler, men vi hoppas kunna genetiskt konstruera mikroorganismerna så att de producerar mer komplexa molekyler, på ungefär samma sätt som vi nu kan konstruera jäst och bakterien E. coli som biofabriker. Men med bioelektrokemisk syntes behöver vi inte ansluta sockerarter till organismerna som byggstenar för att de ska kunna tillverka slutprodukten.”

arbetet mot detta mål är dock fortfarande i relativ spädbarn. “Å ena sidan har vi bakterier som Shewanella som kan utföra artificiell fotosyntes med billig el, men som för närvarande bara kan tillverka ett begränsat antal användbara föreningar”, säger Prof Rabaey. “Å andra sidan har vi en arsenal av mikroorganismer – som E. coli och jäst – som har den biologiska maskinen som är nödvändig för att producera ett stort antal användbara föreningar, och som kan konstrueras relativt enkelt, men som inte visar elektronbussningsmaskineriet som krävs för att de ska drivas med el.”

arbetet med att utveckla den teknik som gör det möjligt för forskare att modifiera elektronmottagande bakteriearter inklusive Shewanella, Geobacter och arter av bakterien Clostridium, är banbrytande av Professor Derek Lovley vid University of Massachusetts (UMass) i Amherst, som upptäckte den första arten av Geobacter, känd som Geobacter metallireducens, i sandsediment i Potomac river 1987.

bakteriell ledningsförmåga

Professor Lovley spjutspetsar Geobacter-projektet (www.geobacter.org) vid UMass, som undersöker både bakteriens elproduktion – dvs mikrobiell bränslecell-och elektrobiosyntetiska förmåga. Geobacter utmärker sig för att generera el, men Prof Lovleys tänkande speglar Clarke och Rabaey, eftersom han tror att det är osannolikt att vi kommer att se utvecklingen av Geobacter – eller Shewanella-baserade avloppsreningsverk som genererar stora mängder el som en biprodukt. “Vårt arbete med mikrobiella bränsleceller hänför sig i huvudsak till US Office of Naval Research-finansierade projekt som tittar på att skörda el från leran längst ner i havet för att köra övervakningsanordningar, som bara kräver lite ström.”

en potentiell tillämpning av Geobacters elproduktionskapacitet kan vara utvecklingen av bioelektriska sensorer för organiska föreningar, föreslår Prof Lovley. “I denna typ av sensor skulle bakterierna kopplas till en elektrod, och ett positivt resultat skulle registreras som en liten elektrisk ström.”Det handlar om att tänka på hur man utnyttjar de elproducerande egenskaperna hos relevanta organismer i mindre, snarare än större skala. “Applikationer där du inte behöver generera mycket kraft representerar goda möjligheter för mikrobiella bränsleceller och organismer som kan utföra DEET.”

bioremedieringsapplikationerna är däremot grenrör, Prof Lovley betonar. Ett av UMass-projekten, i samarbete med oljebolag, syftar till att utnyttja Geobacters förmåga att oxidera organiskt material som ett sätt att avlägsna kolväteföroreningar från mark och grundvatten. Arbetet av UMass-lagen försöker separat kartlägga den genetiska koden för olika Geobacter-arter, och detta bör bidra till att förutsäga hur bakterierna kommer att uppträda under olika miljöförhållanden och låta forskare bestämma de bästa stammarna av organismens aktiviteter som att städa upp specifika föroreningar.UMass-forskning om elektrosyntesprocessen (att sätta elektroner tillbaka i bakterierna) är centrerad på andra mikroorganismer, såsom arter av Clostridium, som verkar mycket bättre lämpade än Geobacter till applikationer där organismerna drivs med elektroner för att generera produkter från koldioxid, tillägger Prof Lovley. “Geobacter är det bättre av de två organismerna för att generera elektricitet, medan Clostridium är väl lämpat för elektrosyntetiska applikationer.”vad forskarna ännu inte vet är hur Clostridium får sina elektroner in och ut ur cellen. Organismen producerar inte molekylära ledningar som Shewanella och Geobacter. “Clostridium verkar ha en helt annan extern kemi än Shewanella, och att avslöja hur det fungerar är något vi hoppas kunna uppnå under de kommande åren”.

optimering av bioproduktion

ett av UMass-teamets stora tekniska genombrott kom förra året, med utvecklingen av en bioengineeringsplattform som gör det möjligt för forskare att genetiskt modifiera Clostridium-arten så att mikroorganismen kommer att använda CO2 och elektrisk energi för att producera mycket enkla organiska föreningar och omvandla dem till mer komplicerade kolväten. “Det är samma grundtanke som att manipulera andra bakterier, genom att du kan ta ut några gener och sätta in andra, för att rikta cellen för att tillverka den förening du vill ha, eller göra en föregångare eller byggsten som lätt kan modifieras till slutprodukten.”

Dessutom kan ytterligare insikter i strukturen hos nanofilament som produceras av arter som Geobacter och Shewanella bana väg för utvecklingen av mikrokretsar baserade på biologiska ledningar som ett helt nytt tillvägagångssätt för gränssnitt biologi med elektronik. Till exempel föreslår Prof Lovley att Geobacter har visat sig uppvisa transistoregenskaper och kan fungera som superkondensatorer för elektronlagring.

” detta lämpar sig för potentialen att odla mikrobiella elektroniska komponenter från billiga råvaror för massproduktion. De mikrobiella trådarna är utomordentligt hållbara för ett biologiskt protein, och bioelektronik har den extra fördelen att de är funktionella i vatten.”Han betonar dock att de praktiska tillämpningarna av sådan teknik fortfarande är i konceptuellt skede.

så, representerar dessa lera-och jordlevande mikroorganismer ett löfte om billig energi för alla? Det verkar osannolikt att DEET realistiskt kommer att släcka världens törst efter El, även om dessa bakteriers förmåga att generera en elektrisk ström kan vara användbar för att utveckla mikrobiella bränslecellbaserade biosensorer och småskaliga biobatterier. Vad som är mycket mer troligt är att Geobacter, Clostridium och Shewanella kommer att ha mycket mer utbredda och kommersiellt gångbara tillämpningar inom områden som bioremediering och rening av avloppsvatten och syntes av värdefulla industriella föreningar, mellanprodukter och bränslen.

den potatisdrivna klockan är en nostalgisk flashback från barndomsbiologilektionerna hos de flesta av oss, men en liten grupp forskare tror att elproduktion från bakterieorganismer kan bli ett genomförbart alternativ.nya insikter i mekaniken i en ny aspekt av bakteriell andning kan hjälpa till att påskynda utvecklingen av mikrobiella kraftverk som kan generera el från industriellt avloppsvatten…

den potatisdrivna klockan är en nostalgisk flashback från barndomsbiologilektionerna hos de flesta av oss, men en liten grupp forskare tror att elproduktion från bakterieorganismer kan bli ett genomförbart alternativ.nya insikter i mekaniken i en ny aspekt av bakteriell andning kan hjälpa till att påskynda utvecklingen av mikrobiella kraftverk som kan generera el från industriellt avloppsvatten…

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.