Разработанные электроактивные микробы могут быть частью решения; Эти микробы способны заимствовать электрон у солнечного или ветрового электричества и использовать эту энергию для разрушения молекул углекислого газа из воздуха. Затем микробы могут брать атомы углерода для производства биотоплива, такого как изобутанол или пропанол, которое можно сжигать в генераторе или добавлять в бензин, например.
«Мы считаем, что биология играет важную роль в создании устойчивой энергетической инфраструктуры», – сказал Баз Барстоу, доцент кафедры биологической и экологической инженерии Корнельского университета. «Некоторые роли будут второстепенными, а некоторые – главными, и мы пытаемся найти все те места, где может работать биология."
Барстоу – старший автор книги «Хранение электроэнергии с помощью инженерных биологических систем», опубликованной в Journal of Biological Engineering.
Добавление электрически сконструированных (синтетических или небиологических) элементов может сделать этот подход еще более продуктивным и эффективным, чем одни микробы. В то же время наличие большого количества вариантов также создает слишком много инженерных решений. Исследование предоставляет информацию для определения наилучшего дизайна в зависимости от потребностей.
«Мы предлагаем новый подход, в котором мы объединяем биологическую и небиологическую электрохимическую инженерию, чтобы создать новый метод хранения энергии», – сказал Фаршид Салимиджази, аспирант лаборатории Барстоу и первый автор статьи.
Естественный фотосинтез уже предлагает пример хранения солнечной энергии в огромных масштабах и превращения ее в биотопливо в замкнутом углеродном цикле.
Он улавливает примерно в шесть раз больше солнечной энергии за год, чем вся цивилизация потребляет за то же время. Но фотосинтез действительно неэффективен для сбора солнечного света, поглощая менее одного процента энергии, которая поражает фотосинтезирующие клетки.
Электроактивные микробы позволяют заменить биологический сбор света на фотоэлектрические.
Эти микробы могут поглощать электричество в процессе своего метаболизма и использовать эту энергию для преобразования CO2 в биотопливо. Подход показывает многообещающие перспективы производства биотоплива с более высокой эффективностью.
Электроактивные микробы также позволяют использовать другие виды возобновляемой электроэнергии, а не только солнечную электроэнергию, для питания этих преобразований. Кроме того, некоторые виды искусственно созданных микробов могут создавать биопластики, которые можно захоронить, тем самым удаляя углекислый газ (парниковый газ) из воздуха и улавливая его в земле. Можно создать бактерии, чтобы обратить этот процесс вспять, превратив биопластик или биотопливо обратно в электричество.
Все эти взаимодействия могут происходить при комнатной температуре и давлении, что важно для эффективности.
Авторы отмечают, что небиологические методы использования электричества для фиксации углерода (ассимиляции углерода из CO2 в органические соединения, такие как биотопливо) начинают соответствовать и даже превосходят возможности микробов.
Однако электрохимические технологии не подходят для создания сложных молекул, необходимых для биотоплива и полимеров. Сконструированные электроактивные микробы могут быть созданы для преобразования этих простых молекул в гораздо более сложные.
Комбинации искусственных микробов и электрохимических систем могут значительно превысить эффективность фотосинтеза. По этим причинам, по мнению авторов, конструкция, объединяющая две системы, предлагает наиболее многообещающее решение для хранения энергии.
«Исходя из проведенных нами расчетов, мы думаем, что это определенно возможно», – сказал Салимиджази.
В статью включены данные о биологических и электрохимических разработках для фиксации углерода. Текущее исследование – это «первый случай, когда кто-либо собрал в одном месте все данные, необходимые для сравнения эффективности всех этих различных способов фиксации углерода», – сказал Барстоу.
В будущем исследователи планируют использовать собранные данные, чтобы проверить все возможные комбинации электрохимических и биологических компонентов и найти лучшие комбинации из множества вариантов.
Исследование было поддержано Корнеллом и Фондом Берроуза-Велкома.