12 сен 2023 8 681

Электричество из смертоносной бактерии: ученые впервые создали «франкенштейна» из кишечной палочки

Бактерия E. coli (кишечная палочка), известная своей смертоносностью, может стать источником электричества благодаря «революционному» открытию ученых. Они смогли превратить ее в эффективный электрический микроб, который может работать в разных средах, включая сточные воды. Это открытие может произвести революцию как в управлении отходами, так и в производстве энергии.
Экспертам по биоэлектронике из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) удалось сконструировать бактерии кишечной палочки для производства электричества в различных условиях.

Команда использовала процесс, известный как внеклеточный перенос электронов (EET), чтобы сконструировать бактерии и сделать их высокоэффективными электрическими микробами. Это привело к трехкратному увеличению выработки электрического тока по сравнению с традиционными стратегиями. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Joule, исследователям впервые удалось создать полный путь EET в E. coli.

Мы разработали бактерию E. coli, наиболее широко изученный микроб, для выработки электричества. Хотя существуют экзотические микробы, которые естественным образом производят электричество, они могут делать это только в присутствии определенных химических веществ. E. coli может расти в самых разных источниках, что позволило нам производить электроэнергию в самых разных средах, в том числе из сточных вод

— профессор Ардемис Богосян из EPFL.

В отличие от предыдущих методов, биоинженерная кишечная палочка может производить электричество, метаболизируя различные органические субстраты. Объединив компоненты Shewanella oneidensis MR-1, бактерии, известной способностью генерировать электричество, исследователи успешно построили путь, охватывающий внутреннюю и внешнюю мембраны клетки. Сконструированную кишечную палочку даже тестировали в сточных водах пивоваренных заводов, где, в отличие от аналогичных электрических микробов, она процветала. Ученые считают, что это показывает его потенциал для крупномасштабной переработки отходов и производства энергии.

Вместо того чтобы вкладывать энергию в систему для переработки органических отходов, мы производим электричество и одновременно перерабатываем органические отходы, убивая двух зайцев одним выстрелом. Экзотические электрические микробы даже не смогли выжить, тогда как наши биоинженерные электрические бактерии смогли процветать в геометрической прогрессии, питаясь этими отходами

— профессор Ардемис Богосян.

Значение исследования выходит далеко за рамки переработки отходов. Ученые полагают, что сконструированную кишечную палочку можно использовать в микробных топливных элементах, электросинтезе и биосенсорике. Генетическая гибкость бактерии означает, что ее можно адаптировать к конкретной среде и сырью, что делает ее универсальным инструментом для развития устойчивых технологий.

Электрический потенциал с бактерий снимают с помощью специальных устройств, называемых микробными топливными элементами (МТЭ). МТЭ состоят из двух электродов, соединенных внешней электрической цепью, и электролита, который может быть жидким или твердым. Бактерии прикрепляются к одному из электродов, называемому анодом, и окисляют органические вещества, выделяя электроны. Эти электроны переносятся по цепи на другой электрод, называемый катодом, где они восстанавливают кислород или другое окислительное вещество. Таким образом, образуется электрический ток между анодом и катодом. Для увеличения выходной мощности МТЭ можно объединять в стеки или массивы.

Наша работа весьма своевременна, поскольку сконструированные биоэлектрические микробы раздвигают границы во все большем количестве реальных приложений. Мы установили новый рекорд по сравнению с предыдущим уровнем техники, основывавшемся только на частичном пути, и по сравнению с микробом, который использовался в одной из крупнейших работ, недавно опубликованных в этой области. Несмотря на все текущие исследовательские усилия в этой области, мы воодушевлены будущим биоэлектрических бактерий и не можем дождаться, когда мы и другие выдвинем эту технологию на новый уровень

— ведущий автор и научный сотрудник Мохаммед Мухиб.