تولید الکتریسیته از فاضلاب؛ باکتری های مهندسی شده زیستی، برق تولید می کنند!

دانشمندان به‌تازگی با موفقیت باکتری E. coli را برای تولید الکتریسیته، مهندسی و پیشرفت‌های بالقوه‌ای را در مدیریت زباله، تولید انرژی و دیگر کاربردهای بیوالکتریک ارائه کرده‌اند. در مقاله‌ای که در 17 شهریور (8 سپتامبر) در ژورنال Joule منتشر شد، تیم پروفسور آردمیس بوگسین از دانشگاه EPFL سوییس یک دستاورد پیشگامانه در بیوالکترونیک را گزارش کرد که توانایی‌های باکتری های E. coli رایج برای تولید برق را ارتقا داد. این کار رویکرد جدیدی را ترسیم کرده که می‌تواند هم مدیریت زباله و هم تولید انرژی را متحول کند.

پروفسور بوگسین در دانشگاه EPFL سوییس می‌گوید:

ما باکتری E. coli را مهندسی کردیم، میکروبی که به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است تا الکتریسیته تولید کند. اگرچه میکروب‌های عجیب و غریبی وجود دارند که به‌طور طبیعی الکتریسیته تولید می‌کنند، با این حال آنها تنها در حضور مواد شیمیایی خاص می‌توانند این کار را انجام دهند. اما باکتری E. coli می‌تواند در طیف گسترده‌ای از منابع رشد کند که به ما اجازه می‌دهد الکتریسیته را در طیف وسیعی از محیط‌ها، از جمله از فاضلاب تولید کنیم!

پیشرفت بیوالکترونیک

باکتری E. coli که جزء اصلی تحقیقات بیولوژیکی است، برای ایجاد الکتریسیته از طریق فرآیندی به نام انتقال الکترون خارج سلولی (EET) مهار شده است. محققان دانشگاه EPFL باکتری های E. coli را مهندسی کردند تا فرآیند EET تقویت‌شده را روی آن‌ها اجرا و آنها را به “میکروب های الکتریکی” بسیار کارآمد تبدیل کنند. برخلاف روش‌های قبلی که نیاز به مواد شیمیایی خاصی برای تولید برق داشتند، E. coli مهندسی‌شده زیستی می‌تواند در حین متابولیسم انواع زیرلایه‌های آلی، برق تولید کند.

یکی از نوآوری های کلیدی این مطالعه ایجاد یک مسیر EET کامل در E. coli است، شاهکاری که قبلاً محقق نشده بود. با ادغام اجزای Shewanella oneidensis MR-1، یک باکتری معروف به تولید الکتریسیته، محققان با موفقیت یک مسیر بهینه ساختند که غشای داخلی و خارجی سلول را در بر می‌گیرد. این مسیر جدید از رویکردهای جزئی قبلی پیشی گرفت و منجر به افزایش سه برابری در تولید جریان الکتریکی در مقایسه با استراتژی‌های معمولی شد.

فاضلاب، یک زمین بازی جدید برای تولید برق!

نکته مهم این است که E. coli مهندسی شده عملکرد قابل‌توجهی را در محیط‌های مختلف از جمله فاضلاب جمع آوری شده از یک کارخانه نشان می‌دهد. در حالیکه میکروب‌های الکتریکی دیگر تزلزل پیدا کرده و امکان رشد نداشتند، E. coli اصلاح‌شده رشد کرد و پتانسیل خود را برای تصفیه زباله در مقیاس بزرگ و همچنین تولید انرژی به نمایش گذاشت.

پروفسور بوگسین گفت:

در حقیقت ما به جای اینکه انرژی خود را در سیستم برای پردازش زباله‌های آلی بگذاریم، در حال تولید برق هستیم و همزمان زباله‌های آلی را نیز پردازش می‌کنیم؛ یعنی یک تیر و دو نشان! ما حتی فناوری خود را مستقیماً روی فاضلابی که از یک کارخانه محلی در لوزان جمع آوری کردیم، آزمایش کردیم. میکروب‌های الکتریکی دیگر حتی قادر به زنده ماندن نبودند، در حالیکه باکتری‌های الکتریکی مهندسی شده زیستی ما توانستند با تغذیه از این زباله‌ها به‌طور تصاعدی شکوفا شوند.

پیامدهای این مطالعه فراتر از تولید برق از زباله‌هاست. E. coli مهندسی شده که قادر به تولید الکتریسیته از طیف گسترده‌ای از منابع است، می‌تواند در سلول‌های سوختی میکروبی، الکتروسنتز و حسگر زیستی نیز استفاده شود. علاوه بر این، انعطاف‌پذیری ژنتیکی این باکتری به این معنی است که می‌توان آن را برای انطباق با محیط‌ها و مواد اولیه خاص طراحی کرد و آن را به ابزاری همه‌کاره برای توسعه فناوری پایدار تبدیل کرد.

موهیب، نویسنده اصلی این مقاله نیز می‌گوید:

کار ما کاملاً به‌موقع است، زیرا میکروب‌های بیوالکتریک مهندسی‌شده در حال جابجایی مرزها در کاربردهای بیشتر در دنیای واقعی هستند. ما رکورد جدیدی را در مقایسه با پیشینۀ پیشرفته قبلی که تنها بر یک مسیر جزئی تکیه داشت و در مقایسه با میکروبی که در یکی از بزرگترین مقالاتی که اخیراً در این زمینه منتشر شده است، به‌دست آورده‌ایم. با تمام تلاش‌های تحقیقاتی فعلی در این زمینه، ما در مورد آینده باکتری‌های بیوالکتریک هیجان‌زده هستیم و بی‌صبرانه منتظریم تا ما و دیگران این فناوری را در مقیاس‌های جدیدی پیش ببریم!

منبع: Scitechdaily