Транспортировка метана из устья газовых скважин на рынок дает множество возможностей для утечки этого парникового газа в атмосферу. Теперь международная группа исследователей сделала первый шаг к прямому преобразованию метана в электричество с помощью бактерий таким образом, чтобы это можно было сделать вблизи буровых площадок.
«В настоящее время нам приходится транспортировать метан по трубопроводам», - сказал Томас К. Вуд, заведующий кафедрой биотехнологии и профессор химического машиностроения Пенсильванского университета. «Когда вы перевозите метан, вы выделяете парниковый газ. Мы не можем устранить все утечки, но мы могли бы сократить их вдвое, если бы не транспортировали их по трубам на большие расстояния».
Цель исследователей состоит в том, чтобы использовать микробные топливные элементы для преобразования метана в электричество рядом с устьями скважин, исключая транспортировку на большие расстояния. До этой цели еще далеко, но теперь они создали топливный элемент на бактериях, который может преобразовывать метан в небольшое количество электричества.
«Люди десятилетиями пытались напрямую конвертировать метан», - сказал Вуд. «Но они не смогли сделать это с микробными топливными элементами. Мы создали штамм бактерий, которые могут».
Микробные топливные элементы преобразуют химическую энергию в электрическую с помощью микроорганизмов. Они могут работать на большинстве органических материалов, включая сточные воды, ацетат и пивоваренные отходы. Метан, однако, создает некоторые проблемы для микробных топливных элементов, потому что, хотя существуют бактерии, которые потребляют метан, они живут в глубинах океана и в настоящее время не могут быть культивированы в лаборатории.
«Мы знаем о бактерии, которая может производить энергетический фермент, который захватывает метан», - сказал Вуд. «Мы не можем выращивать их в неволе, но мы посмотрели на ДНК и нашли что-то со дна Черного моря и синтезировали это».
Исследователи фактически создали консорциум бактерий, производящих электричество, потому что каждая бактерия выполняет свою часть работы. Используя синтетические биологические подходы, в том числе клонирование ДНК, исследователи создали бактерию, подобную той, что обитает в глубинах Черного моря, но которую они могут выращивать в лаборатории. Эта бактерия использует метан и производит ацетат, электроны и энергетический фермент, который захватывает электроны. Исследователи также добавили смесь бактерий, обнаруженных в осадке из анаэробного биореактора - последний шаг в обработке отходов. Этот шлам содержит бактерии, которые производят соединения, которые могут переносить электроны к электроду, но эти бактерии должны были акклиматизироваться к метану, чтобы выжить в топливном элементе. О результатах своей работы они сообщают в Nature Communications.
«В этом процессе нам нужны электронные челноки», - сказал Вуд. «Бактерии в иле действуют как эти челноки».
Как только электроны достигают электрода, поток электронов производит электричество. Чтобы увеличить количество производимой электроэнергии, исследователи использовали встречающийся в природе род бактерий - Geobacter, который потребляет ацетат, созданный синтетическими бактериями, которые улавливают метан для производства электронов..
Чтобы показать необходимость электронного челнока, исследователи запустили топливный элемент только с синтетическими бактериями и Geobacter. Топливный элемент не производил электричество. Они добавили гуминовые кислоты - неживой электронный челнок - и топливные элементы заработали. Бактерии из ила являются лучшими челноками, чем гуминовые кислоты, потому что они самоподдерживающиеся. Исследователи подали предварительные патенты на этот процесс.
«Этот процесс производит много электроэнергии для микробного топливного элемента», - сказал Вуд. «Однако на данный момент это количество в 1000 раз меньше, чем электричество, производимое метанольным топливным элементом».