Батарейка из архей: ученые превратили метан напрямую в электричество при помощи микробов
Начало XXI века ознаменовалось рядом важнейших открытий в области микробиологии, однако большая их часть осталась незамеченной широкой публикой. Зато развитие этих научных работ позволяет не только лучше понимать протекающие во всей экосистеме Земли биохимические превращения, но и разрабатывать перспективные технологии. Например, метод прямого получения электричества из метана с помощью микроорганизмов.
Если очень сильно упрощать (и да простят нас химики с биологами и физиками), то все преобразования веществ внутри живых организмов можно назвать чередой обменов электронами между разными атомами, соединениями, ионами. А поскольку электрический ток — направленное движение носителей заряда (как правило, электронов), то два этих «мира» логично попробовать связать. Иными словами, буквально встроить электрическую цепь в пищевую цепочку, допустим, микроорганизмов. Главное — найти такие биохимические процессы, которые не слишком сильно потеряют в эффективности, когда из них начнется утечка части электронов.
Пару лет назад команда из Университета Неймегена (Radboud University Nijmegen) в Нидерландах показала экспериментально, как из сточных вод можно напрямую получить энергию. Ученые использовали бактерии, которым свойственен анаммокс — анаэробное (без внешнего притока кислорода) окисление аммония в присутствии нитритов. Как выяснилось в результате эксперимента, плавно снижая поступление нитрита в питательную среду, можно «собрать» часть высвобождаемых микроорганизмами электронов.
В теории этот процесс можно адаптировать для генерации дополнительной электроэнергии установками по очистке сточных вод. Такие бактерии уже применяются для удаления аммония из отходов сельского хозяйства или канализации. К слову, сам по себе анаммокс как раз входит в число революционных открытий последних десятилетий. До момента его описания в 1999 году на примере недавно обнаруженных бактерий происхождение значительной части молекулярного азота в атмосфере Земли было не до конца известно. Сейчас исследователи пошли еще дальше и проверили, сколько энергии получится из микроорганизмов, которые «питаются» метаном.
Нидерландские ученые выбрали культуру с преобладанием Candidatus Methanoperedens nitroreducens — это археи, открытые в 2006 году и способные анаэробно окислять метан (AOM) при помощи нитрата. Слово «candidatus» в названии вида микроорганизмов означает, что их чистую культуру до сих пор выделить не удалось. Тем не менее это не стало ограничением для экспериментов — в них просто использовали биомассу с преобладающим содержанием нужных архей.
Основной целью исследователей был поиск подтверждений предполагаемому механизму, связанному с AOM, — межклеточному переносу электронов (EET). Благодаря нему микроорганизмы в сложных экосистемах делятся зарядом, который им необходим для метаболизма. Подобные Methanoperedens археи, например, «подкармливают» электронами соседей, вырабатывающих метан.
Прелесть подходящего эксперимента заключалась в том, что он позволял проверить не только характеристики EET, но и вообще способность архей эффективно работать в качестве элемента батарей. Установка представляла собой две емкости, разделенные мембраной из нафиона (фторопласт на основе сульфированного тетрафторэтилена). Анодную камеру заполнили буферным раствором, а вот катодная содержала культурную среду с витаминами и нужными микроорганизмам элементами. Затем обе емкости лишили кислорода, пропустив через них большое количество газообразного азота.
После заселения культуры микроорганизмов на катод ученые провели серию из трех экспериментов средней продолжительностью в 8 дней. В первом метан подавался непрерывно 18 часов, а затем его перекрыли, предварительно создав избыточное давление в емкости «помеченным» CH4 (самый распространенный углерод-12 в нем заменили куда более редким изотопом — углеродом-13). Так оценивали поглощение метана биомассой и эффективность его переработки.
Во втором эксперименте после перекрытия подачи метана для поддержания повышенного давления в емкости его заменили аргоном. Это позволило проверить, какая часть возникающего тока обусловлена метанотрофной активностью микроорганизмов. В третьем эксперименте, чтобы оценить дополнительные электрические свойства изучаемого биохимического процесса, изменяли разность потенциалов между катодом и анодом.
Также ученые заселили три отдельные емкости той же биомассой и заполнили такой же культурной средой. Однако в качестве акцептора электронов оставили нитрат (в данном случае — натрия), а электроды не вводили. Благодаря такому образцу продуктивность Methanoperedens в роли катода батареи сравнивалась с естественными условиями обитания (выяснилось, что без нитрата процесс идет втрое медленнее).
Результаты оказались многообещающими. В среднем биомасса «отдала» в цепь 17% высвобожденных во время метаболизма электронов и переработала около трети поступившего в систему метана. Не менее 38% вырабатываемого напряжения напрямую связано с притоком метана. Говоря о первичной цели эксперимента: удалось продемонстрировать электрическую активность Methanoperedens. А также использование этими археями межклеточного переноса электронов.
Кроме того, исследователи обнаружили ряд белков, важных для окисления метана, которые могут быть полезны в дальнейших изысканиях. Главное достижение нидерландских ученых заключается в создании биоэлектрохимической системы, позволяющей изучать EET в контролируемых условиях.
Потенциал для дальнейшей исследовательской работы с подобными организмами большой. Можно подробнее присмотреться к микробным сообществам, в которых доминируют метанотрофные археи. Так, все еще до конца не ясно, происходит ли анаэробное окисление метана в одном виде микроорганизмов или процесс разделен между несколькими.
С практической точки зрения этот эксперимент — любопытный первый шаг на пути к прямому преобразованию метана в электричество. Существующие способы безальтернативно включают двигатели внутреннего или внешнего сгорания, эффективность которых в самых лучших случаях не превышает 70% без учета потерь на транспортировку энергии (чаще — 25-35%). А для устойчивых хозяйств, которые вырабатывают биогаз из отходов сельского хозяйства, «микробные батареи» могут стать вовсе отличным решением.
К тому же побочный продукт анаэробного окисления метана — только углекислый газ и вода. Никакой сажи, обеспечивающей наибольший вред от выбросов энергетической отрасли, не выделяется. Наконец, метан — более сильный и опасный парниковый газ, чем CO2, поэтому его эффективное и полезное улавливание сейчас как никогда актуально.
Telegram 
Дзен 
VK Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
Десятого мая 1940 года вермахт пришел в движение. Через 42 суток англо-французские армии были разгромлены, а Франция капитулировала. Как это произошло, ведь союзники имели больше солдат, танков и пушек, чем немцы? В СССР причиной посчитали нежелание французов воевать, немцы же, говорили советские военные, не внесли в стратегию ничего нового. Реальность была строго обратной: разгром Франции был новым словом в войне, и такой же сценарий Гитлер применил против СССР через год. Что именно произошло и отчего советское руководство не смогло осознать случившееся?
Метеорный поток Эта-Аквариды достигнет своего максимума в ночь с 5 на 6 мая. Его частицы — осколки самой знаменитой кометы в истории, которая появляется над Землей раз в 76 лет. Ученый Пермского Политеха рассказал, как этот звездопад связан с кометой Галлея, почему у него есть «брат-близнец» и где лучше всего за ним наблюдать.
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
Термоядерные электростанции не смогут конкурировать по цене с возобновляемыми источниками энергии из-за медленного удешевления технологии. По расчетам, расходы на каждую новую установку падали максимум на 8% — много раз ниже ранних ожиданий венчурных инвесторов. Это перечеркивает экономический смысл финансовых вливаний, и мир может никогда не увидеть дешевой термоядерной энергии.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии