Το Marine Microbe επιτρέπει τη μείωση του CO2 μέσω ηλεκτρισμού
Η καύση ορυκτών καυσίμων από τον άνθρωπο συμβάλλει στην αυξημένη συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, διευκολύνοντας την κλιματική αλλαγή. Το 2017, ο τομέας των μεταφορών απελευθέρωσε περίπου 1,9 δισεκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα, αντικαθιστώντας την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ως την κύρια πηγή ατμοσφαιρικών εκπομπών του έθνους, σύμφωνα με τη Διοίκηση Ενεργειακών Πληροφοριών των Ηνωμένων Πολιτειών.
Αυτή η μετατόπιση οφειλόταν σε μεγάλο βαθμό στο κλείσιμο των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα που οφείλεται εν μέρει στην ανάβαση βελτιωμένων φωτοβολταϊκών ηλιακών συλλεκτών, ανεμογεννητριών και άλλων μέσων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ουδέτερου άνθρακα. το κόστος των οποίων έχει μειωθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Δυστυχώς, η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές με μπαταρίες λιθίου παραμένει ακριβή, ενώ οι παλαιότερες τεχνολογίες μπαταριών αποθήκευσης συχνά περιλαμβάνουν περιβαλλοντικές τοξίνες όπως τα βαρέα μέταλλα μόλυβδος ή κάδμιο. Σχετικά λίγα οχήματα σήμερα είναι ηλεκτρικά, ενώ τα περισσότερα συνεχίζουν να εξαρτώνται από οργανικά χημικά καύσιμα με βάση τον άνθρακα, όπως το ντίζελ ή η βενζίνη.
Η μικροβιακή ηλεκτροσύνθεση είναι μια ταχέως αναπτυσσόμενη τεχνολογία που θα μπορούσε, στο μέλλον, να προσφέρει μια εναλλακτική στρατηγική για την αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας στους χημικούς δεσμούς των οργανικών μορίων. Η μικροβιακή ηλεκτροσύνθεση χρησιμοποιεί μια ασυνήθιστη ομάδα μικροοργανισμών, που ονομάζονται συλλογικά ηλεκτροτρόφοι, που μπορούν να καλλιεργηθούν χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια μέσα σε εξειδικευμένους θαλάμους ανάπτυξης που ονομάζονται βιοηλεκτροχημικά συστήματα (BESs). Μέσα σε αυτά τα BES, τα ηλεκτροτροφικά μικρόβια μετατρέπουν το ανόργανο διοξείδιο του άνθρακα σε ανηγμένες οργανικές χημικές ουσίες χρησιμοποιώντας ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από ηλεκτρόδια για να προκαλέσουν κατά τα άλλα μη αυθόρμητες βιοχημικές αντιδράσεις. Προηγούμενες εργασίες για την έρευνα μικροβιακής ηλεκτροσύνθεσης επικεντρώθηκαν σε μεγάλο βαθμό στα θετικά κατά Gram βακτήρια Firmicutes ή στη χρήση μικτών καλλιεργειών που μπορεί να είναι λιγότερο επιδεκτικές στη μελέτη και γενετικό χειρισμό. Σε αντίθεση με την αιθανόλη με βάση το καλαμπόκι που υπάρχει στο μεγαλύτερο μέρος της βενζίνης των ΗΠΑ που πωλείται σήμερα ή το βιοντίζελ με βάση τη σόγια, τα μικροβιακά παραγόμενα χημικά δεν χρειάζεται να ανταγωνίζονται την εγχώρια προσφορά τροφίμων.
Σε μια νέα μελέτη που αναφέρεται στο τεύχος Οκτωβρίου του επιστημονικού περιοδικού Bioelectrochemistry , οι ερευνητές προσδιόρισαν ότι μια καθαρή καλλιέργεια του πλήρως προσδιορισμένου αλληλουχίας, Gram-αρνητικού θαλάσσιου βακτηρίου Desulfobacterium autotrophicum Το HRM2 καταλύει την ηλεκτροχημική μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε οργανικές ενώσεις. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν ηλεκτροχημικές τεχνικές για να καταδειχθεί αρχικά ότι το βακτήριο θα μπορούσε να πάρει ηλεκτρόνια από μια πηγή ηλεκτρονίων καθόδου για μια εκτεταμένη περίοδο επώασης. Μέθοδοι χημικής ανάλυσης που περιλαμβάνουν αέρια χρωματογραφία (GC) και υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης (HPLC) χρησιμοποιήθηκαν για να καταδειχθεί η πρόσληψη διοξειδίου του άνθρακα με τη σχετική συσσώρευση του οργανικού μορίου οξικού άλατος. Σε συνδυασμό με αυτήν την αύξηση της πρόσληψης ηλεκτρικού ρεύματος, τεκμηριώθηκε η αφαίρεση του διοξειδίου του άνθρακα σε αέρια φάση στον αέριο άνω χώρο των θαλάμων ανάπτυξης BES.
Db. autotrophicum είναι ένα θαλάσσιο βακτήριο που μειώνει τα θειικά που είναι μεταβολικά καλά χαρακτηρισμένο και το γονιδίωμά του έχει πλήρως προσδιοριστεί η αλληλουχία του. Αυτό το μικρόβιο μπορεί να αναπτυχθεί σε διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο παρουσία θειικού άλατος χρησιμοποιώντας την αμφίδρομη οδό Wood-Ljungdahl που επικεντρώνεται σε ένα συγκεκριμένο ένζυμο αφυδρογονάσης μονοξειδίου του άνθρακα Ni-Fe (CODH). Σύμφωνα με την επικεφαλής συγγραφέα Zehra Zaybak, σε ένα βιοηλεκτροχημικό σύστημα, Db. autotrophicum ήταν σε θέση να χρησιμοποιήσει ηλεκτρόνια που παρέχονται από μια στερεή επιφάνεια καθόδου για να σταθεροποιήσει το CO2 και να το αναγάγουμε σε κυρίως το οργανικό μόριο οξικό. Αυτό το μόριο έχει μια σειρά από υπάρχουσες βιομηχανικές χρήσεις. Η μικροσκοπία επιφθορισμού κυττάρων από τον θάλαμο καθόδου του βιοηλεκτροχημικού αντιδραστήρα έδειξε την πλειονότητα των ζωντανών κυττάρων χρησιμοποιώντας ένα εμπορικά διαθέσιμο κιτ χρώσης ζωντανών/νεκρών που χρωματίζει τα ζωντανά κύτταρα με πράσινο χρώμα (Εικ. 1).
Η πρόσθετη ηλεκτροχημική ανάλυση αποκάλυψε ένα αναστρέψιμο ζεύγος οξειδοαναγωγής που υποδηλώνει τη συμμετοχή ενζύμων που διευκολύνουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων στην κυτταρική επιφάνεια του Db. autotrophicum HRM2. Με βάση αυτά τα ευρήματα, αυτό το βακτήριο που μειώνει τα θειικά έχει τη δυνατότητα να χρησιμεύσει ως πρότυπο οργανισμό για να βοηθήσει στην αποκρυπτογράφηση των φυσιολογικών και βιοχημικών μηχανισμών της μικροβιακής πρόσληψης ηλεκτρονίων από τα ηλεκτρόδια.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ηλεκτροτροφική δραστηριότητα και παραγωγή ηλεκτροσυνθετικού οξικού από το Desulfobacterium autotrophicum HRM2, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Bioelectrochemistry. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Zehra Zaybak και John M. Pisciotta από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και το Πανεπιστήμιο West Chester της Πενσυλβάνια και τον Bruce E. Logan από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια.
