19 mrt.2020 (Nanowerk-schijnwerper) Bacteriën worden vaak geassocieerd met ongewenste omstandigheden op het gebied van hygiëne en gezondheid. Meestal overschaduwt de angst voor bacteriële schade hun nuttige toepassingen, zoals de productie van yoghurt, kaas, brood, azijn en bepaalde vaccins, evenals hun essentiële rol in onze overleving omdat ze deel uitmaken van de darmen. Onze internationale multidisciplinaire groep onderzoekers uit China, Denemarken en Turkije neemt de verantwoordelijkheid om bacteriën een goede naam te geven als alternatieve groene energiebron. In ons werk identificeren we het potentieel van het gebruik van koolstofstippen op nanoschaal Shewanella oneidensis MR-1-bacteriën voor verhoogde productie van bio-elektriciteit.
Illustratie van de synthese van de koolstofstippen en de met koolstofstippen gevoede S. oneidensis MR-1 voor verbeterde opwekking van bio-elektriciteit. (Herdrukt met toestemming van Nature) (klik op afbeelding om te vergroten) Rapportage van onze bevindingen in Nature Communications (“Carbon dots-fed Shewanella oneidensis MR-1 voor verbetering van bio-elektriciteit”), hebben we een nieuwe methode gedemonstreerd om de bacteriële bio-elektriciteitsopwekking aanzienlijk te verhogen en deze toegepast om microbiële brandstofcellen op te zetten. “Verbeterde microbiële brandstofcellen kunnen mogelijk worden gebruikt om energiegerelateerde problemen te helpen en tegelijkertijd de problemen van andere groene energiealternatieven, zoals de afhankelijkheid van geografische omstandigheden, te overwinnen”, zegt prof. Miao Yu, een van de Chinese corresponderende auteurs van de studie van het Harbin Instituut. van technologie.
Shewanella oneidensis MR-1 absorbeert en reduceert metaalionen, waardoor het een ideale kandidaat is voor de behandeling van afvalwater. Bovendien genereert het, hoewel het metaalionen vermindert, elektriciteit, hoewel niet voldoende. Daarom zijn er pogingen ondernomen om de elektriciteitsproductie te vergroten, bijvoorbeeld door genetische manipulatie of intercalatie van oligo-elektrolyten. "We veronderstelden dat in plaats van het gebruik van eerder beproefde, dure en complexe methoden, de introductie van een zeer geleidend, biocompatibel 0D-nanomateriaal met bepaalde functionele oppervlaktegroepen effectiever en organismervriendelijker kan zijn", legt prof. Yu uit. “Dus hebben we koolstofstippen gevoerd S. oneidensis MR-1-microben die de cellen op extra- en intracellulair niveau versierden.” De verbeterde microbiële brandstofcellen van S. oneidensis MR-1 liet zien dat het gebruik van carbon dots de maximale stroomwaarde en het uitgangsvermogen met een factor 7.34 en 6.46 kan verhogen! Toen we de eerste cijfers zagen, realiseerden we ons onmiddellijk het unieke potentieel om de oorsprong van microbiële bio-elektriciteit te bestuderen en hoe we deze konden verbeteren. Uit het diepgaande onderzoek blijkt dat koolstofstippen de algehele elektronegativiteit van de microben vergrootten door ze in verschillende interne en externe structuren op te nemen. Koolstofstippen verhoogden de cellulaire adhesie, wat op zijn beurt de biomassa op de anode van de microbiële brandstofcel verhoogde en daardoor een betere elektronenoverdracht mogelijk maakte. Onze resultaten laten zien dat de sterk geleidende koolstofkern van Carbon Dots niet alleen de algehele systemische elektrische geleidbaarheid verbetert, maar ook de pakkingsdichtheid van het elektronenoverdrachtspad zou kunnen verhogen. In de experimenten met mutante cellen ΔOmcA/MtrC die componenten van de elektronenoverdrachtsketen missen, herstelden koolstofstippen met succes het ladingspad door insertie. Interessant is dat volgens onze bevindingen de opname van koolstofstippen de stofwisselingssnelheid en de flavineproductie van de cellen versnelde, wat op zijn beurt de elektronengeneratie en transportsnelheid verhoogde – maar de details over hoe blijven een open vraag. In ons onderzoek worden koolstofstippen gebruikt om de productie van bio-elektriciteit aanzienlijk te verbeteren S. oneidensis MR-1 microbiële brandstofcellen. Deze bevindingen kunnen bijdragen aan energiesystemen van de volgende generatie, afvalwaterzuivering en aanverwante gebieden. Het produceren van elektriciteit uit afval is niet alleen een draagbare oplossing voor groene energie, maar in het grote geheel is het van cruciaal belang om een mondiale circulaire economie tot stand te brengen.
Door Ast. Prof. Dr. Hüsnü Aslan, Interdisciplinair Nanoscience Center (iNANO), Aarhus, Denemarken
