U mikrobnoj elektrosintezi, mikroorganizmi koriste CO 2 i električnu energiju za proizvodnju alkohola, na primer. Međutim, do sada se samo nagađalo kako ovaj proces funkcioniše biološki. Istraživači sa Lajbnicovog instituta za istraživanje prirodnih proizvoda i biologiju infekcija (Leibniz-HKI) sada su po prvi put mogli eksperimentalno da potvrde da bakterije koriste elektrone iz vodonika i da mogu proizvesti više hemijskih supstanci nego što je ranije poznato. Njihovo istraživanje objavljeno je u časopisu Green Chemistry.
Mikrobna elektrosinteza je obećavajuća tehnologija u kontekstu klimatskih promena i energetske tranzicije: može da vezuje ugljen-dioksid, proizvodi etanol i druga organska jedinjenja koja se mogu koristiti kao gorivo, i na taj način skladištiti višak električne energije. Ipak, tehnologija, koja je poznata više od decenije, do sada nije uspela da postigne značajniji iskorak ka komercijalizaciji.
Prema Miriam Rosenbaum, šefu Bio Pilot postrojenja u Leibniz-HKI, to je uglavnom zato što se „biologija koja stoji iza procesa do sada smatrala nekom vrstom crne kutije“. Biohemičar, koji drži katedru za sintetičku biotehnologiju na Univerzitetu Fridrih Šiler u Jeni, dugo je posvećen pitanju šta se tačno dešava tokom mikrobne elektrosinteze (MES).
Tim je sada napravio iskorak upravo u ovoj oblasti. Istraživači su uspeli da pokažu da bakterije ne apsorbuju direktno elektrone koje dovodi električna struja, već umesto toga koriste vodonik za prenos elektrona. Ovo se dugo sumnjalo kao mogućnost, ali do sada niko nije pružio eksperimentalni dokaz. Takođe su otkrili da metoda može da proizvede još više korisnih hemikalija nego što se ranije mislilo i optimizovali proces za najveće moguće prinose.
U MES-u se električna energija primenjuje na vodeni hranljivi rastvor koji sadrži mikroorganizme, a istovremeno se dodaje ugljen-dioksid. Mikroorganizmi koriste struju i ugljenik za proizvodnju organskih jedinjenja kao što su etanol ili acetat. Da bi to uradili, koriste isporučene elektrone – ali ranije je bilo nejasno kako.
„Postojala je jedna studija koja je pretpostavljala da mikrobi direktno koriste elektrone“, kaže Rozenbaum. Međutim, ova hipoteza nije dokazana. Rozenbaum je smatrao da je verovatnije da mikrobi koriste vodonik za svoju biosintezu. To je zato što kada se primeni struja i ugljen-dioksid, ono što se dešava je isto kao u klasičnoj elektrolizi: voda se deli na vodonik i kiseonik.
„Do sada niko zaista nije merio vodonik direktno u sistemu“, objašnjava Santjago Boto, glavni autor studije. Zbog toga je postavio MES reaktor tako da može precizno da kontroliše sve parametre. Da bi to uradio, koristi čistu kulturu sa bakterijom Clostridium ljungdahlii u nizu različitih koncentracija. Pored toga, on može da kontroliše protok električne struje i meri vodonik proizveden na elektrodi i vodonik koji izlazi iz tečnosti pomoću mikrosenzora.
„Sa našim dizajnom uspeli smo da prikupimo nekoliko dokaza da bakterije koriste vodonik“, rekao je Boto. Kada je koncentracija bakterija u hranljivom medijumu bila takva da su formirale biofilm na katodi i malo vodonika je bilo merljivo u okruženju elektroda, aktivnost bakterija je značajno smanjena. To se dešavalo i kada napon nije bio dovoljno visok za elektrolizu. Tek kada je vodonik bio slobodno dostupan planktonima—tj. slobodno plivanje — bakterije sa elektrode su pokazale visoku aktivnost.
Na ovaj način, istraživački tim je bio u mogućnosti da optimizuje napon i koncentraciju bakterija za najveće moguće prinose acetata. „Imali smo najveće vrednosti acetata postignute do sada za čistu kulturu bakterija“, rekao je Boto. Kao sporedni rezultat, takođe je otkrio da su se formirala amino jedinjenja koja bakterije inače ne proizvode. U saradnji sa Falkom Harnišem iz Centra za istraživanje životne sredine u Lajpcigu, rad je takođe pokazao da se javljaju reakcije između hranljivog medijuma i katode, koje takođe nisu ranije opisane, koje očigledno ubrzavaju proces sinteze.
Tim sada želi da dodatno optimizuje procese i posebno istraži prethodne nalaze. „Aminojedinjenja su veoma interesantna za hemijsku industriju, a bakterije koje smo koristili su takođe već u industrijskoj upotrebi. Možda smo tako otkrili novu metodu proizvodnje za takve hemikalije“, rekao je Boto.
Sve u svemu, rezultati bi trebalo da pomognu da MES bude komercijalno održiv. „Očekujem da ćemo videti snažan uzlet ove tehnologije u narednim godinama kada se konačno fokusiramo i na biologiju“, rekao je Rozenbaum. Bio Pilot Plant sarađuje na ovome i sarađuje sa procesnim inženjerima kako bi razvili veće reaktore za MES.
