Bakterijska pretvorba kanalizacijskog otpada u čistu energiju
Moderna alkemija
Purpurne fotosintetske bakterije, koje koriste svjetlosnu energiju za sintezu organskih spojeva, prilikom stimulacije električnom energijom mogu oporaviti gotovo sto posto ugljika iz bilo kojeg tipa organskog otpada, generirajući pritom plin vodik za kasnije korištenje kao gorivo.
Organski spojevi sadržani u komunalnim i industrijskim otpadnim vodama bogat su potencijalni izvor energije, ali bez učinkovite metode ekstrakcije, postrojenja za obradu otpadnih voda često ih odbacuju kao onečišćujuće tvari. Međutim, španjolski znanstvenici pronašli su ekološko prihvatljivo i ekonomično rješenje njihova korištenja.
Nedavno objavljena u časopisu Frontiers in Energy Research, njihova je studija prva takve vrste koja pokazuje da purpurne fotosintetske bakterije, sa sposobnošću pohrane svjetlosne energije, tijekom stimulacije električnom energijom mogu oporaviti blizu sto posto ugljika iz bilo kojeg tipa organskog otpada, uz istovremenu proizvodnju plina vodika za proizvodnju električne energije.
„Jedan od najvećih problema postojećih postrojenja za obradu otpadnih voda su visoke ugljične emisije”, rekao je dr. Daniel Puyol, koautor studije sa španjolskog Sveučilišta Rey Juan Carlos. „Provođenjem ovog svjetlosnog, biorafinerijskog procesa mogla bi se osigurati sredstva za prikupljanje tzv. „zelene” energije iz otpadnih voda, s nultim ugljičnim otiskom.”
Purpurne fotosintetske bakterije
Fotosintezom, tim iznimno važnim biološkim procesom, dolazi do pretvorbe svjetlosne energije u kemijsku energiju, pomoću koje se ugljikov dioksid iz atmosfere i voda povezuju u organske spojeve uz oslobađanje kisika.
Tvari koje apsorbiraju svjetlost nazivaju se fotosintetskim pigmentima, a kad je riječ o fotosintezi, pigment koji se često stavlja u središte pažnje je klorofil, koji apsorpcijom crvenog i plavog dijela svjetlosnog spektra reflektira zeleni dio spektra, što za rezultat ima zelenu boju listova. No, povlačenjem iz jesenskog lišća, klorofil iza sebe ostavlja žute, narančaste i crvene boje. Ono što se može utvrditi jest da fotosintetski pigmenti dolaze u svim vrstama boja i svim vrstama organizama.
Tako purpurne fotosintetske bakterije apsorbiraju svjetlosnu energiju korištenjem različitih pigmenata, čime njihov izgled priprema raznolike nijanse narančaste, crvene ili smeđe boje, kao i ljubičaste. Upravo ih ta svestranost njihova metabolizma, a ne šarolikost boja, čini tako zanimljivima znanstvenicima.
„Zahvaljujući svom raznovrsnom metabolizmu, purpurne fotosintetske bakterije čine idealan alat za oporavak resursa iz organskog otpada”, objašnjava Puyol.
Optimiziranje bakterijske proizvodnje električnom energijom
Zanimljivo je da ove bakterije umjesto ugljikovog dioksida i vode, za fotosintezu koriste organske molekule i dušik, što uvjetuje brži rast od ostalih fotosintetskih bakterija i algi, a kao nusproizvode svog metabolizma stvaraju plin vodik, proteine te biorazgradive poliestere. Koji će od nastalih metaboličkih produkata dominirati ovisi o okolišnim bakterijskim uvjetima, poput intenziteta svjetlosti, temperature i dostupnim vrstama organskih i hranjivih tvari.
„Manipulacijom okolišnih uvjeta u mogućnosti smo usmjeriti stvaranje bakterijskih metaboličkih produkata za različite namjene, ovisno o izvoru organskog otpada i tržišnim zahtjevima”, rekao je Abraham Esteve-Núñez, koautor studije i profesor na madridskom Sveučilištu Alcalá. „Ono što je jedinstveno u vezi s našim pristupom jest korištenje vanjske električne struje za optimiziranje produktivne proizvodnje purpurnih bakterija.”
Ovaj koncept, poznat kao „bioelektrokemijski sustav”, funkcionira jer sve te različite metaboličke puteve purpurnih bakterija povezuje jedna zajednička stvar, a to su elektroni. Na primjer, za bakterijsko prikupljanje svjetlosne energije potrebna je opskrba eletronima, dok se pretvaranjem dušika u amonijak oslobađa višak elektrona koji se moraju raspršiti. Optimiziranjem protoka elektrona unutar bakterija, električna struja – dobivena putem pozitivnih i negativnih elektroda (kao u bateriji) – može ograničiti te procese i povećati brzinu sinteze.
Maksimalna iskoristivost s minimalnim ugljičnim otiskom
U svojoj najnovijoj studiji, skupina znanstvenika analizirala je optimalne uvjete za maksimiziranje vodikove proizvodnje korištenjem mješavine purpurnih vrsta fotosintetskih bakterija. Njihov prvi ključni nalaz bio je da mješavina hranjivih tvari koja je uzrokovala najveću stopu proizvodnje vodika, ujedno i smanjuje proizvodnju ugljikovog dioksida.
„Navedeno pokazuje da purpurne bakterije mogu biti korištene za oporabu vrijednih biogoriva iz organskih tvari koje se obično nalaze u otpadnim vodama, poput jabučne kiseline i natrijevog glutamata, sa stvaranjem niskog ugljičnog otiska”, navodi Esteve-Núñez.
Također, ispitivanja su pokazala da purpurne bakterije mogu koristiti elektrone nastale na negativnoj elektrodi – katodi, kako bi prikupile više ugljika iz organskih spojeva putem fotosinteze, tako da se manje ugljika oslobađa u obliku ugljikovog dioksida.
Prema autorima, ovo je prva studija takvog tipa gdje su se mješovite vrste purpurnih bakterija koristile u bioelektrokemijskom sustavu, kao i prvi prikaz manipulacije bakterijskih metaboličkih reakcija uslijed interakcija s katodom.
Međutim, Puyol priznaje da je potrebno provesti još ispitivanja kako bi se došlo do istinskog cilja: „Jedan od izvornih ciljeva studije bio je povećati proizvodnju vodika, ali čini se da purpurne bakterija više preferiraju koristiti elektrone nastale na katodi za smanjenje CO2 emisija, nego za stvaranje vodika.”
Španjolskim su znanstvenicima nedavno odobrena nova sredstva za nastavak istraživanja, a nadamo se da ćemo u budućnosti još izvještavati o zanimljivim otkrićima ove vrijedne istraživačke skupine.
Klara Perović | Ekovjesnik