Сегодня вы спустили что-то ценное в унитаз.
Органические соединения в бытовых и промышленных сточных водах являются богатым потенциальным источником энергии, биопластиков и даже белков для корма для животных, но без эффективного метода извлечения очистные сооружения выбрасывают их как загрязняющие вещества. Теперь исследователи нашли экологически чистое и экономичное решение.
Опубликованное в журнале Frontiers in Energy Research, их исследование является первым, показавшим, что пурпурные фототрофные бактерии, которые могут накапливать энергию света, при подаче электрического тока могут извлекать почти 100% углерода из любого типа органических соединений. отходы, генерируя газообразный водород для производства электроэнергии.
«Одной из наиболее важных проблем современных очистных сооружений является высокий уровень выбросов углерода», - говорит соавтор исследования д-р Даниэль Пуйоль из Университета короля Хуана Карлоса в Испании. «Наш процесс биопереработки на основе света может стать средством получения зеленой энергии из сточных вод с нулевым углеродным следом».
Пурпурные фотосинтезирующие бактерии
Когда дело доходит до фотосинтеза, в центре внимания находится зеленый цвет. Но когда хлорофилл покидает осеннюю листву, он оставляет своих желтых, оранжевых и красных собратьев. На самом деле фотосинтетические пигменты бывают самых разных цветов и у всех видов организмов.
Cue фиолетовые фототрофные бактерии. Они улавливают энергию солнечного света, используя различные пигменты, которые придают им оттенки оранжевого, красного или коричневого, а также фиолетового. Но разнообразие их метаболизма, а не их цвет, делает их такими интересными для ученых.
«Пурпурные фототрофные бактерии являются идеальным инструментом для извлечения ресурсов из органических отходов благодаря их очень разнообразному метаболизму», - объясняет Пуйоль.
Бактерии могут использовать органические молекулы и газообразный азот вместо CO2 и H2O - для получения углерода, электронов и азот для фотосинтеза. Это означает, что они растут быстрее, чем альтернативные фототрофные бактерии и водоросли, и могут генерировать газообразный водород, белки или тип биоразлагаемого полиэфира в качестве побочных продуктов метаболизма..
Настройка метаболических процессов с помощью электричества
Какой продукт метаболизма преобладает, зависит от условий окружающей среды бактерий, таких как интенсивность света, температура и типы доступных органических веществ и питательных веществ.
«Наша группа манипулирует этими условиями, чтобы настроить метаболизм пурпурных бактерий для различных целей, в зависимости от источника органических отходов и требований рынка», - говорит соавтор, профессор Абрахам Эстев-Нуньес из Университета Алькала, Испания.
"Но что уникально в нашем подходе, так это использование внешнего электрического тока для оптимизации производительности пурпурных бактерий."
Эта концепция, известная как «биоэлектрохимическая система», работает, потому что разнообразные метаболические пути пурпурных бактерий связаны общей валютой: электронами. Например, для захвата световой энергии требуется запас электронов, тогда как превращение азота в аммиак высвобождает избыточные электроны, которые необходимо рассеять. Оптимизируя поток электронов внутри бактерий, электрический ток, подаваемый через положительный и отрицательный электроды, как в батарее, может разграничить эти процессы и максимизировать скорость синтеза.
Максимальное биотопливо, минимальный углеродный след
В своем последнем исследовании группа проанализировала оптимальные условия для максимального производства водорода смесью пурпурных фототрофных бактерий. Они также проверили влияние отрицательного тока, то есть электронов, поставляемых металлическими электродами в питательной среде, на метаболическое поведение бактерий.
Их первый ключевой вывод заключался в том, что питательная смесь, обеспечивающая самую высокую скорость производства водорода, также минимизировала производство CO2.
"Это демонстрирует, что пурпурные бактерии могут быть использованы для извлечения ценного биотоплива из органических веществ, обычно встречающихся в сточных водах - яблочной кислоты и глутамата натрия - с низким углеродным следом", - сообщает Эстев-Нуньес.
Еще более поразительными были результаты с использованием электродов, которые впервые продемонстрировали, что пурпурные бактерии способны использовать электроны с отрицательного электрода или «катода» для захвата CO2 посредством фотосинтеза.
Записи нашей биоэлектрохимической системы показали четкое взаимодействие между пурпурными бактериями и электродами: отрицательная поляризация электрода вызвала заметное потребление электронов, связанное с уменьшением производства углекислого газа..
"Это указывает на то, что пурпурные бактерии использовали электроны с катода для захвата большего количества углерода из органических соединений посредством фотосинтеза, поэтому меньше выделялось в виде CO2."
К биоэлектрохимическим системам для производства водорода
По словам авторов, это было первое сообщение об использовании смешанных культур пурпурных бактерий в биоэлектрохимической системе и первая демонстрация любого фототрофного метаболизма из-за взаимодействия с катодом.
Улавливание избыточного CO2, производимого пурпурными бактериями, может быть полезно не только для сокращения выбросов углерода, но и для очистки биогаза из органических отходов для использования в качестве топлива.
Однако Пуйоль признает, что истинная цель группы еще впереди.
Одна из первоначальных целей исследования состояла в том, чтобы увеличить производство биоводорода путем передачи электронов с катода для метаболизма пурпурных бактерий. Однако кажется, что бактерии PPB предпочитают использовать эти электроны для фиксации CO 2 вместо создания H2
"Недавно мы получили финансирование для достижения этой цели в дальнейших исследованиях и будем работать над этим в течение следующих лет. Следите за обновлениями для дальнейшей настройки метаболизма."