Konstruerede bakterier kan mangle led i energilagring

Et af de store problemer med bæredygtige energisystemer er, hvordan man lagrer elektricitet, der er genereret fra vind, sol og bølger. På nuværende tidspunkt ingen eksisterende teknologi giver lagring og energiudvinding i stor skala til bæredygtig energi til lave økonomiske og miljømæssige omkostninger.

Konstruerede elektroaktive mikrober kunne være en del af løsningen; disse mikrober er i stand til at låne en elektron fra sol- eller vindelektricitet og bruge energien til at skille kuldioxidmolekyler fra luften. Mikroberne kan derefter tage kulstofatomerne til at lave biobrændstoffer, såsom isobutanol eller propanol, der kan brændes i en generator eller tilsættes benzin, for eksempel.

"Vi mener, at biologi spiller en væsentlig rolle i at skabe en bæredygtig energiinfrastruktur, " sagde Buz Barstow, assisterende professor i biologisk og miljøteknologi ved Cornell University. "Nogle roller vil være biroller, og nogle vil være store roller, og vi forsøger at finde alle de steder, hvor biologi kan fungere."

Barstow er seniorforfatter af "Elektrisk energilagring med manipulerede biologiske systemer, " offentliggjort i Journal of Biological Engineering .

Tilføjelse af elektrisk konstruerede (syntetiske eller ikke-biologiske) elementer kunne gøre denne tilgang endnu mere produktiv og effektiv end mikrober alene. På samme tid, at have mange muligheder skaber også for mange tekniske valg. Undersøgelsen giver information til at bestemme det bedste design baseret på behov.

"Vi foreslår en ny tilgang, hvor vi syr sammen biologisk og ikke-biologisk elektrokemisk teknik for at skabe en ny metode til at lagre energi, " sagde Farshid Salimijazi, en kandidatstuderende i Barstows laboratorium og avisens første forfatter.

Naturlig fotosyntese er allerede et eksempel på lagring af solenergi i enorm skala, og gøre det til biobrændstoffer i en lukket kulstofsløjfe. Den fanger omkring seks gange så meget solenergi på et år, som al civilisation bruger på samme tid. Men, fotosyntese er virkelig ineffektiv til at høste sollys, absorberer mindre end én procent af den energi, der rammer fotosynteseceller.

Elektroaktive mikrober lader os erstatte biologisk lysindsamling med solcelleanlæg. Disse mikrober kan absorbere elektricitet i deres stofskifte og bruge denne energi til at omdanne CO2 til biobrændstoffer. Fremgangsmåden viser meget lovende for fremstilling af biobrændstoffer med højere effektivitet.

Elektroaktive mikrober giver også mulighed for at bruge andre typer vedvarende elektricitet, ikke kun solenergi, til at drive disse konverteringer. Også, nogle arter af konstruerede mikrober kan skabe bioplast, der kan begraves, derved fjerner kuldioxid (en drivhusgas) fra luften og binder den i jorden. Bakterier kunne konstrueres til at vende processen, ved at konvertere en bioplast eller biobrændstof tilbage til elektricitet. Disse interaktioner kan alle forekomme ved stuetemperatur og tryk, hvilket er vigtigt for effektiviteten.

Forfatterne påpeger, at ikke-biologiske metoder til at bruge elektricitet til kulstofbinding (assimilering af kulstof fra CO2 til organiske forbindelser, såsom biobrændstoffer) begynder at matche og endda overgå mikrobernes evner. Imidlertid, elektrokemiske teknologier er ikke gode til at skabe den slags komplekse molekyler, der er nødvendige for biobrændstoffer og polymerer. Konstruerede elektroaktive mikrober kunne designes til at omdanne disse simple molekyler til meget mere komplicerede.

Kombinationer af konstruerede mikrober og elektrokemiske systemer kan i høj grad overstige effektiviteten af ​​fotosyntese. Af disse grunde, et design, der forener de to systemer, tilbyder den mest lovende løsning til energilagring, ifølge forfatterne.

"Ud fra de beregninger, vi har lavet, vi tror bestemt det er muligt " sagde Salimijazi.

Papiret inkluderer ydeevnedata om biologiske og elektrokemiske designs til carbonfiksering. Den nuværende undersøgelse er "første gang, at nogen har samlet alle de data, du har brug for på ét sted, for at foretage en æble-til-æbler-sammenligning af effektiviteten af ​​alle disse forskellige måder for carbonfiksering, " sagde Barstow.

I fremtiden, the researchers plan to use the data they have assembled to test out all possible combinations of electrochemical and biological components, and find the best combinations out of so many choices.

Erika Parra, a principal at MultiPHY Laboratories, Inc., is a co-author of the paper.