Lilla bakteriebatterier gør spildevand til ren energi

Du har skyllet noget værdifuldt ud i toilettet i dag.

Organiske forbindelser i husholdningernes spildevand og industrispildevand er en rig potentiel energikilde, bioplast og endda proteiner til dyrefoder – men uden nogen effektiv udvindingsmetode, renseanlæg kasserer dem som forurenende stoffer. Nu har forskere fundet en miljøvenlig og omkostningseffektiv løsning.

Udgivet i Grænser i energiforskning , deres undersøgelse er den første, der viser, at lilla fototrofiske bakterier - som kan lagre energi fra lys - når de forsynes med en elektrisk strøm kan genvinde næsten 100 % kulstof fra enhver form for organisk affald, samtidig med at der genereres brintgas til elproduktion.

"Et af de vigtigste problemer ved de nuværende spildevandsrensningsanlæg er høje kulstofemissioner, " siger medforfatter Dr. Daniel Puyol fra King Juan Carlos University, Spanien. "Vores lysbaserede bioraffinaderiproces kunne være et middel til at høste grøn energi fra spildevand, med nul CO2-fodaftryk."

Lilla fotosyntetiske bakterier

Når det kommer til fotosyntese, grønne svin i rampelyset. Men da klorofyl trækker sig tilbage fra efterårets løv, den efterlader sin gule, orange og røde fætre. Faktisk, fotosyntetiske pigmenter kommer i alle mulige farver - og alle mulige organismer.

Cue lilla fototrofiske bakterier. De fanger energi fra sollys ved hjælp af en række forskellige pigmenter, som gør dem til orange nuancer, rød eller brun - såvel som lilla. Men det er alsidigheden af ​​deres stofskifte, ikke deres farve, hvilket gør dem så interessante for videnskabsmænd.

"Lilla fototrofiske bakterier er et ideelt værktøj til ressourcegenvinding fra organisk affald, takket være deres meget forskelligartede stofskifte, " forklarer Puyol.

Bakterierne kan bruge organiske molekyler og nitrogengas – i stedet for CO2 og H2O – til at give kulstof, elektroner og nitrogen til fotosyntese. Det betyder, at de vokser hurtigere end alternative fototrofe bakterier og alger, og kan generere brintgas, proteiner eller en type biologisk nedbrydelig polyester som biprodukter af stofskiftet.

Tuning af metabolisk output med elektricitet

Hvilket stofskifteprodukt der dominerer afhænger af bakteriens miljømæssige forhold - som lysintensitet, temperatur, og de tilgængelige typer organiske stoffer og næringsstoffer.

"Vores gruppe manipulerer disse forhold for at tilpasse metabolismen af ​​lilla bakterier til forskellige applikationer, afhængigt af kilden til organisk affald og markedskrav, " siger medforfatter professor Abraham Esteve-Núñez fra University of Alcalá, Spanien.

"Men det unikke ved vores tilgang er brugen af ​​en ekstern elektrisk strøm til at optimere den produktive produktion af lilla bakterier."

Dette koncept, kendt som et "bioelektrokemisk system", virker, fordi de forskellige metaboliske veje i lilla bakterier er forbundet med en fælles valuta:elektroner. For eksempel, der kræves en forsyning af elektroner til at fange lysenergi, mens nitrogen omdannes til ammoniak frigiver overskydende elektroner, som skal bortskaffes. Ved at optimere elektronstrømmen i bakterierne, en elektrisk strøm - leveret via positive og negative elektroder, som i et batteri – kan afgrænse disse processer og maksimere syntesehastigheden.

Maksimalt biobrændstof, mindste CO2-fodaftryk

I deres seneste undersøgelse, gruppen analyserede de optimale betingelser for at maksimere brintproduktion af en blanding af lilla fototrofiske bakteriearter. De testede også effekten af ​​en negativ strøm - dvs. elektroner tilført af metalelektroder i vækstmediet - om bakteriernes metaboliske adfærd.

Deres første nøglefund var, at den næringsstofblanding, der fodrede den højeste hastighed af brintproduktion, også minimerede produktionen af ​​CO2.

"Dette viser, at lilla bakterier kan bruges til at genvinde værdifuldt biobrændstof fra organiske stoffer, der typisk findes i spildevand - æblesyre og natriumglutamat - med et lavt kulstofaftryk, " rapporterer Esteve-Núñez.

Endnu mere slående var resultaterne ved brug af elektroder, som for første gang demonstrerede, at lilla bakterier er i stand til at bruge elektroner fra en negativ elektrode eller "katode" til at opfange CO2 via fotosyntese.

"Optagelser fra vores bioelektrokemiske system viste en klar interaktion mellem de lilla bakterier og elektroderne:negativ polarisering af elektroden forårsagede et detekterbart forbrug af elektroner, forbundet med en reduktion af kuldioxidproduktionen.

"Dette indikerer, at de lilla bakterier brugte elektroner fra katoden til at fange mere kulstof fra organiske forbindelser via fotosyntese, så der frigives mindre som CO2."

På vej mod bioelektrokemiske systemer til brintproduktion

Ifølge forfatterne, dette var den første rapporterede brug af blandede kulturer af lilla bakterier i et bioelektrokemisk system - og den første demonstration af enhver fototrof skiftende metabolisme på grund af interaktion med en katode.

Opfangning af overskydende CO2 produceret af lilla bakterier kan være nyttig ikke kun til at reducere kulstofemissioner, men også til raffinering af biogas fra organisk affald til brug som brændsel.

Imidlertid, Puyol indrømmer, at gruppens sande mål ligger længere fremme.

"Et af de oprindelige formål med undersøgelsen var at øge produktionen af ​​biobrint ved at donere elektroner fra katoden til metabolismen af ​​lilla bakterier. det ser ud til, at PPB-bakterierne foretrækker at bruge disse elektroner til at fiksere CO2 i stedet for at skabe H2.

"Vi har for nylig opnået midler til at forfølge dette mål med yderligere forskning, og vil arbejde på dette i de følgende år. Hold dig opdateret for mere metabolisk tuning."