Био-батарея. Исследователи используют бактерии для выработки электроэнергии
Существующие электронные устройства, представленные на рынке, состоят из неорганических, неодушевленных материалов. Однако в лабораториях готовятся «микробы-киборги», которые скоро начнут производить электричество.
Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) впервые описали биогибридный материал с хорошей проводимостью, который можно использовать для производства «микробного электричества». Что важно, поток электронов в описанной ими био-батарее является управляемым.
Бактерия Shewanella oneidensis относится к так называемым экзоэлектрогенным бактериям. Они могут генерировать электроны в процессе обмена веществ и транспортировать их наружу клетки. Согласно KIT, попытка сделать это электричество пригодным для использования всегда ограничивалось слабым взаимодействием организмов с электродом. В отличие от обычных аккумуляторов, материал в «био-батарее» должен не только проводить электроны к электроду, но в то же время оптимально связывать как можно больше бактерий с электродом. Однако до сих пор проводящие материалы, в которые могут быть внедрены бактерии, либо были неэффективными, либо процессы, проходящие в них, не поддавались контролю.
Исследователи KIT нашли решение. Команда профессора Кристофа М. Нимейера смогла разработать нанокомпозитный материал, который поддерживает рост экзоэлектрогенных бактерий и в то же время проводит ток контролируемым образом. «Мы создали пористый гидрогель, который состоит из углеродных нанотрубок и наночастиц кремнезема (SiNPs). Они сплетены между собой нитями ДНК», — объясняет Нимейер.
После формирования основы структуры материала, в его состав был введён раствор, в котором содержатся сами экзоэлектрогенные бактерии Shewanella oneidensis и все необходимые им питательные вещества. «Выращивание Shewanella oneidensis в проводящих материалах показывает, что экзоэлектрогенные бактерии колонизируют каркас, в то время как другие бактерии, такие как Escherichia coli, остаются только на поверхности матрицы», — объясняет микробиолог профессор Йоханнес Гешер. Кроме того, исследовательская группа смогла доказать, что чем больше бактериальных клеток колонизирует проводящий синтетический матрикс, тем больше увеличивается поток электронов. Полученный биогибридный композит оставался стабильным и показывал электрохимическую активность в течение нескольких дней, доказывая способность эффективно проводить электроны, вырабатываемые бактериями, к электроду.
Помимо проводимости для таких систем очень важна управляемость процесса. Исследователям удалось добиться и этого, добавив фермент, который разрезает нити ДНК.
«Насколько нам известно, впервые описан такой сложный и функциональный биогибридный материал. В целом, результаты показывают, что возможные применения таких материалов могут выходить за рамки микробных биосенсоров, биореакторов и систем топливных элементов», — подчеркивают исследователи.