Hjælpsomme mikrober indånder kuldioxid gennem en porøs cylindrisk elektrode og udstråler nyttige kemikalier

Mikrober kan blive nøgleallierede i globale bestræbelser på at begrænse kulstofemissioner og undgå farlige klimaændringer. En gruppe mikrober kaldet chemolithoautotrofer forbruger CO ₂ gennem deres naturlige stofskifte, at spytte små organiske molekyler ud som et biprodukt. Disse mikrober kunne rekrutteres til at omdanne industriel CO ₂ emissioner til værdifulde kemikalier, takket være et nyt koncept udviklet af Pascal Saikaly og hans team på KAUST.

Chemolithoautotrofer findes almindeligvis i dybhavet, i huler og hydrotermiske ventilationsåbninger, hvor konventionelle energikilder, såsom sollys og organisk kulstof, mangler. "Mikroberne får deres energi fra oxidation af uorganiske forbindelser, såsom brint, jern og svovl, " forklarer Bin Bian, en ph.d. elev fra Saikalys hold. Mikroberne fjerner de uorganiske forbindelser af elektroner, mens de optager CO ₂ og reducere det til økologiske produkter som en del af processen.

At udnytte kemolitoautotrofe-kapaciteter til genanvendelse af CO ₂ emissioner til nyttige kemikalier, forskere leverer elektroner til mikroberne i en proces kaldet mikrobiel elektrosyntese (MES). Typisk, MES-reaktorer har dyrket kemolitoautotrofer på en nedsænket flad-ark katode og boblet CO ₂ gas i opløsningen, men denne opsætning har to vigtige begrænsninger, forklarer Manal Alqahtani, også en ph.d.-studerende i teamet. Flat-sheet katoder er svære at opskalere og CO ₂ gas har dårlig opløselighed.

Holdet udviklede en alternativ MES-reaktor ved hjælp af katoder lavet af stabelbare, cylindriske porøse nikkelfibre, som Saikalys gruppe tidligere havde anvendt til at genvinde vand og energi fra spildevand. CO ₂ pumpes gennem hver cylinder, og elektroner strømmer langs den. "Ved at bruge denne arkitektur, vi leverer CO direkte ₂ gas til kemolitoautotrofer gennem porerne i de hule fibre, " siger Alqahtani. "Vi leverede elektroner og CO ₂ samtidig med kemolitoautotrofer på katodeoverfladen."

I Alqahtanis indledende undersøgelse, metanproducerende mikrober var i stand til at omdanne CO ₂ til metan med 77 procent effektivitet, sammenlignet med 3 procent effektivitet med et konventionelt design.

En opfølgende undersøgelse forbedrede ydeevnen yderligere ved at belægge elektroderne med kulstofnanorør. Disse tilbød en mere biokompatibel overflade til mikrobiel vækst, og forbedrede hulfibrenes CO ₂ adsorptionsevne 11 gange. "Desuden nanorørene forbedrede elektronoverførslen fra elektrode til kemolitoautotrofer, " siger Bin. I test med acetatproducerende mikrober, produktionen af ​​kemikaliet blev næsten fordoblet, da nanorørbelægningen blev påført.

Alqahtanis igangværende arbejde omfatter at undersøge lettere tilgange til at udvikle porøse cylindriske katoder, mens Bian optimerer CO ₂ strømningshastigheder og investering af vedvarende MES-energikilder, såsom solenergi. Begge studerende anerkender det værdifulde bidrag til deres studier af Krishna Katuri, en forsker i Saikalys laboratorium.