• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
22 апреля
Василий Парфенов
3 110

Батарейка из архей: ученые превратили метан напрямую в электричество при помощи микробов

5.1

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.

Обнаружен механизм превращения метана напрямую в электричество археями Candidatus Methanoperedens
Сканирующая электронная микроскопия метанотрофных архей, собранных с микробных матов Черного моря: слева — сферическое образование из архей группы ANME-2 («родственники» Candidatus Methanoperedens) и питающихся сульфидами бактерий; справа — цилиндрические клетки архей группы ANME-1 / ©DOI: https://doi.org/10.1128/AEM.71.1.467-479.2005

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.

Обнаружен механизм превращения метана напрямую в электричество археями Candidatus Methanoperedens
Схема экспериментальной установки (биоэлектрохимической системы): A — катод из нержавеющей стали; B — анод из углеродного волокна; C — подвод газов (метана с углекислым газом или азота); D — референсный электрод без биомассы на нем; E — ионообменная мембрана; F — потенциостат (прибор для мониторинга электрических показателей системы); G — платиновый проводник, H — магнитная мешалка / © https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.820989

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.

Обнаружен механизм превращения метана напрямую в электричество археями Candidatus Methanoperedens
Установки для производства биогаза набирают все большую популярность — от крупных заводов в Европе до небольших емкостей на одно семейное хозяйство в Индии. К 2030 году суммарная выработка только в Старом Свете оценивается в 35 миллионов кубометров, двухкратный рост по сравнению с 2015-м. Иными словами, рынок растет и требует инноваций / ©Agro&Chemistry

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Сегодня, 06:15
Мария Азарова

Польские исследователи впервые продемонстрировали, как три чистых нитрофенола — или их смесь, образующаяся в том числе при приготовлении шашлыка — влияют на клетки легких человека.

11 часов назад
Сергей Васильев

Биологи впервые смогли использовать метод генной модификации CRISPR для насекомых. Испытывая новый подход, они создали новые линии ГМ-жуков и тараканов.

7 часов назад
Анна Новиковская

Ранее предполагалось, что животные обладают очень ограниченными способностями к созданию гибких, но при этом структурированных вокальных последовательностей, таких как предложения человеческого языка. Коллектив немецких и французских ученых проанализировал около 900 часов звукозаписей криков обыкновенных шимпанзе, чтобы доказать: это не так.

14 мая
Василий Парфенов

Космическую компанию Илона Маска в шутку иногда называют пиротехнической — так часто ее изделия взрываются во время испытаний. Пара свежих инцидентов на тестовом полигоне в городе Макгрегор лишь подтверждают эту славу. Не успели фанаты космонавтики наладить онлайн-трансляцию из этой локации, как запечатлели сразу два взрыва подряд с промежутком всего в десятки часов.

12 мая
Мария Азарова

Авторы нового исследования проверяли, насколько выполнение второстепенного задания влияет на аргументы, которые выдвигали люди, говорящие правду или неправду.

13 мая
Алиса Гаджиева

Один из самых археологически изученных ландшафтов в мире до сих преподносит сюрпризы.

21 апреля
Александр Березин

Местные чиновники пытаются переложить ответственность за случившееся на резкое уменьшение турпотока из-за коронавируса, но цифры показывают, что ключевая проблема совсем в другом. В 2019 году на выборах в этой стране победил президент — сторонник модных зеленых идей. Вскоре там запретили продажу минеральных удобрений и двинулись к «устойчивому сельскому хозяйству». Как именно популярные «органические» идеи повлияли на еще не так давно быстро растущую местную экономику? И почему уроки шри-ланкийской трагедии могут пригодиться даже Западу и России?

26 апреля
Василий Парфенов

Крупнейшие патентные ведомства мира десятилетиями или веками принципиально игнорируют любые конструкции, нарушающие начала термодинамики. С точки зрения здравого смысла это хорошо, но конспирологи и гении-самоучки считают иначе. По их мнению, такая политика стала результатом заговора (подставьте сюда любое вымышленное или не очень секретное общество либо лобби). Что ж, похоже, Роспатент встал на их сторону.

27 апреля
Александра Медведева

С помощью GPS-трекинга ученые проследили за перемещениями целой популяции домашних кошек в небольшом норвежском городке. Оказалось, питомцы редко уходят от дома далее 50 метров и почти не совершают длительных прогулок.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: