Вчені сконструювали бактерії кишкової палички для виробництва електроенергії

З 1911 року, коли британський міколог Майкл Крессе Поттер помітив, що пивні дріжджі генерують електроенергію, вчені намагаються використати енергію мікробних паливних елементів.

Але ефективність крихітних “біореакторів”, що тільки зароджувалися, була надто низькою для практичного використання. Більше того, виявилося, що мікроби можуть бути напрочуд вибагливими до субстратів, які вони перетравлюють для виробництва електроенергії.

Команда дослідників зі Швейцарської вищої технічної школи Лозанни (EPFL) сконструювала один з найпоширеніших видів бактерій, кишкову паличку, для виробництва електроенергії зі стічних вод пивоварних заводів – і він перевершив найновіші біоінженерні штами.

“Хоча існують екзотичні мікроби, які природним чином виробляють електроенергію, вони можуть робити це лише в присутності певних хімічних речовин”, – пояснює старший автор та інженер-хімік Ардеміс Богосян з EPFL.

“Кишкова паличка може рости на широкому спектрі джерел, що дозволило нам виробляти електроенергію в широкому діапазоні середовищ, в тому числі зі стічних вод”.

Щоб підвищити здатність кишкової палички виробляти електроенергію, дослідники модифікували її геном, включивши в нього інструкції для білкових комплексів, знайдених у Shewanella oneidensis, одного з найвідоміших бактеріальних генераторів електроенергії.

S. oneidensis виробляє потік електронів, коли відновлює метали – електричний сигнал, який використовувався, наприклад, для виявлення токсичних металів, таких як миш’як, у прототипних системах.

Включивши всі компоненти електричного шляху S. oneidensis в кишкову паличку, Мохаммед Мухіб, провідний автор дослідження, Богосян та його колеги збільшили її електроактивність удвічі порівняно з попередньо сконструйованими штамами (які включали лише частину шляху S. oneidensis).

Однак ці експерименти проводилися в одній камері в лабораторних умовах. Справжнім випробуванням для будь-якої потенційної технології є те, чи може вона працювати в промислових умовах.

У попередніх дослідженнях вивчалося використання водоростей для очищення стічних вод пивоварних заводів. Пивоварні повинні обробляти воду, яку вони використовують для миття зерна та промивання резервуарів перед утилізацією, оскільки вона містить п’янку суміш цукрів, крохмалю, спиртів та дріжджів, які можуть спричинити небажане розмноження мікроорганізмів, якщо скидати її без очищення.

Тож команда протестувала свою систему E. coli на зразку стічних вод, зібраних з місцевої пивоварні в Лозанні, Швейцарія, яку модифіковані бактерії з радістю поглинули за 50 годин.

“Наші біоінженерні електричні бактерії змогли процвітати в геометричній прогресії, харчуючись цими відходами”, – каже Богосян, тоді як S. oneidensis, яку використовували в якості компаратора, не змогла перетравити змішані стоки.

Це робить сконструйовану кишкову паличку набагато більш придатною для очищення промислових стічних вод, навіть якщо її потенціал генерування електроенергії все ще повільніший, ніж у S. oneidensis, кажуть дослідники.

Апетит кишкової палички до різних хімічних субстратів також означає, що сконструйовані бактерії можуть бути адаптовані до інших потоків відходів та сировини.

У будь-якому випадку, дослідникам потрібно буде перевірити, чи зможе їхня модифікована кишкова паличка переробляти промислові обсяги. Якщо так, то це може призвести до значної економії енергії.

“Замість того, щоб витрачати енергію на переробку органічних відходів, ми виробляємо електроенергію, одночасно переробляючи органічні відходи – вбиваючи двох зайців одним пострілом”, – говорить Богосян.

Дослідження опубліковане в Joule..