Forskere fremstiller miniaturiseret bionisk havbatteri

Forskerne fra Institut for Mikrobiologi ved Det Kinesiske Videnskabsakademi har udviklet et miniaturiseret bionisk havbatteri, en bio-solcelle, der omdanner lys til elektricitet ved at efterligne den grundlæggende økologiske struktur af marine mikrobielle økosystemer. Denne undersøgelse blev offentliggjort i Nature Communications .

Havene dækker omkring 70 % af Jordens overfladeareal. Fra et energiperspektiv er marine økosystemer et enormt biokonverteringssystem for solenergi, hvor mikroorganismer dominerer energiomdannelsesprocesserne.

Energiomdannelse i marine økosystemer begynder med fotosyntese. Fotosyntetiske mikroorganismer, kaldet primære producenter, placeret i vandsøjlens eufotiske zone, absorberer solenergi og omdanner fotoner til elektroner, der bruges til at fiksere kuldioxid til organisk stof. Det organiske stof forbruges dels af plankton, der lever i vandsøjlen, og dels aflejres i de marine sedimenter, hvor fakultative anaerobe eller strengt anaerobe mikroorganismer mineraliserer det komplekse organiske stof til kuldioxid gennem successiv oxidation.

Mikroorganismer i de marine sedimenter kan yderligere opdeles i to grupper. En gruppe, kaldet primære nedbrydere, er ansvarlig for nedbrydningen af ​​komplekst organisk stof til simple organiske forbindelser; den anden gruppe, kaldet ultimative forbrugere, er ansvarlig for den fuldstændige oxidation af simple organiske forbindelser og frigiver elektroner til biologisk reduktion af elementer som nitrogen, jern, mangan og svovl. Gennem fotosyntetisk kulstoffiksering og mineralisering af organisk materiale bruger marine mikrobielle økosystemer solenergi til at drive biogeokemiske kredsløb.

Set fra det ydre rum kan marine mikrobielle økosystemer med fotoelektrisk konverteringsfunktion betragtes som et enormt "hav-batteri" opladet af solenergi. Imidlertid er den rumlige og tidsmæssige fordeling af mikroorganismer i de marine økosystemer enorm, og elektronoverførslen er træg og langsom, så effektiviteten af ​​fotoelektrisk omdannelse er lav. Forskerne foreslog, at det er muligt at udvikle et rumligt-temporalt komprimeret havbatteri med væsentligt forbedret energieffektivitet.

For at nå dette mål udtog forskerne den grundlæggende struktur af marine mikrobielle økosystemer. De designede og konstruerede et syntetisk mikrobielt samfund bestående af primær producent (cyanobakterier), primær nedbryder (Escherichia coli) og ultimative forbrugere (Shewanella oneidensis og Geobacter sulfurreducens) til biofotoelektrisk omdannelse.

I dette syntetiske mikrobielle samfund er de konstruerede cyanobakterier i stand til at syntetisere saccharose fra kuldioxid ved at bruge lysenergi og lagre lysenergi i saccharose; den konstruerede E. coli er ansvarlig for at nedbryde saccharose til laktat; S. oneidensis og G. sulfurreducens oxiderer fuldstændigt laktat til kuldioxid gennem successiv oxidation og overfører elektroner til de ekstracellulære elektroder for at generere elektrisk strøm, hvorved lysenergi omdannes til elektricitet.

Forskerne påviste, at det mikrobielle samfund med fire arter klarede sig betydeligt bedre end trearter, der mangler G. sulfurreducens, og samfundet med to arter, der mangler E. coli og G. sulfurreducens med hensyn til intern resistens, maksimal krafttæthed og stabilitet, hvilket indikerer, at opretholdelse af den komplette økologiske struktur af de marine mikrobielle økosystemer er afgørende for at opnå effektiv biofotoelektrisk omdannelse. Den maksimale effekttæthed for dette mikrobielle samfund af fire arter nåede 1,7 W/m ² , som er en størrelsesorden højere end den for to-arter biofotovoltaiske system rapporteret af forfatterne i tidligere arbejde (Zhu et al, Nature Communications , 2019, 10:4282).

Forskerne fandt endvidere ud af, at ilten produceret af cyanobakterier under fotosyntesen muliggjorde aerob respiration af E. coli og S. oneidensis, og ilten hæmmede elektricitetsproduktionen fra S. oneidensis og den strengt anaerobe G. sulfurreducens, hvilket førte til negativ effekt på overordnet ydelse. For at løse dette problem blokerede forskere den aerobe respirationsvej for E. coli og S. oneidensis. De udviklede en ledende hydrogel med oxygenbarriereegenskaber. Den ledende hydrogel blev brugt til at indkapsle E. coli, S. oneidensis og G. sulfurreducens for at danne et oxygenisolerende kunstigt sedimentlag, der var i stand til elektronoverførsel.

Ved at samle det kunstige sedimentlag indeholdende primær nedbryder (E. coli) og ultimative forbrugere (S. oneidensis og G. sulfurreducens) med et vandsøjlelag indeholdende primær producent (cyanobakterier), samlede forskerne til sidst en integreret bio-solcelle, der direkte omdanner lys til elektricitet i over en måned.

Denne bio-solcelle efterligner den grundlæggende fysiske struktur og økologiske struktur af havbatteriet, med den rumlige-tidsmæssige skala betydeligt komprimeret og antallet af arter minimeret, og kan således betragtes som et miniaturiseret bionisk havbatteri.

Denne undersøgelse viser, at et arts-minimeret og rumligt-temporalt komprimeret syntetisk mikrobielt samfund kan reproducere den fotoelektriske konverteringsfunktion af marine mikrobielle økosystemer. Energieffektiviteten af ​​dette bioniske havbatteri er højere end for marine økosystemer på grund af at overvinde den netværkslignende og træge elektronoverførselsmodel.

Udviklingen af ​​miniaturiseret bionisk havbatteri forbedrer den biofotovoltaiske effektivitet og giver en ny vej til udvikling af effektive og stabile bio-solceller. Denne undersøgelse demonstrerer også det bioteknologiske potentiale af syntetisk økologi. + Udforsk yderligere

Forskere udvikler et nyt biofotovoltaiksystem