De onderzoekers van het Instituut voor Microbiologie van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben een geminiaturiseerde bionische oceaanbatterij ontwikkeld, een bio-zonnecel die licht omzet in elektriciteit, door de ecologische basisstructuur van mariene microbiële ecosystemen na te bootsen. Deze studie is gepubliceerd in Nature Communications .

Oceanen beslaan ongeveer 70% van het aardoppervlak. Vanuit het perspectief van energie zijn mariene ecosystemen een enorm bioconversiesysteem van zonne-energie waarin micro-organismen de energieconversieprocessen domineren.

Energieconversie in mariene ecosystemen begint met fotosynthese. Fotosynthetische micro-organismen, primaire producenten genoemd, die zich in de eufotische zone van de waterkolom bevinden, absorberen zonne-energie en zetten fotonen om in elektronen die worden gebruikt om koolstofdioxide in organisch materiaal vast te leggen. De organische stof wordt gedeeltelijk geconsumeerd door plankton dat in de waterkolom leeft en gedeeltelijk afgezet in de mariene sedimenten waar facultatieve anaërobe of strikt anaërobe micro-organismen de complexe organische stof mineraliseren tot koolstofdioxide door opeenvolgende oxidatie.

Micro-organismen in de mariene sedimenten kunnen verder worden onderverdeeld in twee groepen. Eén groep, primaire degraders genoemd, is verantwoordelijk voor de afbraak van complexe organische stoffen tot eenvoudige organische verbindingen; de andere groep, de uiteindelijke verbruikers, is verantwoordelijk voor de volledige oxidatie van eenvoudige organische verbindingen, waarbij elektronen vrijkomen voor de biologische reductie van elementen zoals stikstof, ijzer, mangaan en zwavel. Door fotosynthetische koolstoffixatie en mineralisatie van organisch materiaal, gebruiken mariene microbiële ecosystemen zonne-energie om biogeochemische cycli te stimuleren.

Gezien vanuit de ruimte kunnen mariene microbiële ecosystemen met foto-elektrische conversiefunctie worden beschouwd als een enorme "oceaanbatterij" die wordt opgeladen door zonne-energie. De ruimtelijke en temporele verdeling van micro-organismen in de mariene ecosystemen is echter enorm en de elektronenoverdracht is traag en traag, dus de efficiëntie van foto-elektrische conversie is laag. De onderzoekers stelden voor dat het mogelijk is om een ​​ruimtelijk-temporaal verdichte oceaanbatterij te ontwikkelen met een aanzienlijk verbeterde energie-efficiëntie.

Om dit doel te bereiken, hebben de onderzoekers de basisstructuur van mariene microbiële ecosystemen geëxtraheerd. Ze ontwierpen en bouwden een synthetische microbiële gemeenschap bestaande uit primaire producent (cyanobacteriën), primaire degrader (Escherichia coli) en uiteindelijke consumenten (Shewanella oneidensis en Geobacter sulfurreducens) voor biofoto-elektrische conversie.

In deze synthetische microbiële gemeenschap zijn de gemanipuleerde cyanobacteriën in staat om sucrose uit koolstofdioxide te synthetiseren door lichtenergie te gebruiken en lichtenergie op te slaan in sucrose; de gemanipuleerde E. coli is verantwoordelijk voor het afbreken van sucrose tot lactaat; S. oneidensis en G. sulfurreducens oxideren lactaat volledig tot koolstofdioxide door opeenvolgende oxidatie en brengen elektronen over naar de extracellulaire elektroden om elektrische stroom te genereren, waardoor lichtenergie wordt omgezet in elektriciteit.

De onderzoekers toonden aan dat de microbiële gemeenschap van vier soorten significant beter presteerde dan de gemeenschap van drie soorten zonder G. sulfurreducens en de gemeenschap van twee soorten zonder E. coli en G. sulfurreducens in termen van interne weerstand, maximale vermogensdichtheid en stabiliteit, wat aangeeft dat het handhaven van de volledige ecologische structuur van de mariene microbiële ecosystemen is essentieel voor het bereiken van een efficiënte biofoto-elektrische conversie. De maximale vermogensdichtheid van deze microbiële gemeenschap van vier soorten bereikte 1,7 W/m ² , wat een orde van grootte hoger is dan die van een biofotovoltaïsch systeem met twee soorten zoals gerapporteerd door de auteurs in eerder werk (Zhu et al, Nature Communications , 2019, 10:4282).

De onderzoekers ontdekten verder dat de zuurstof geproduceerd door cyanobacteriën tijdens fotosynthese aerobe ademhaling van E. coli en S. oneidensis mogelijk maakte, en de zuurstof remde de elektriciteitsopwekking door S. oneidensis en de strikt anaërobe G. sulfurreducens, wat leidde tot een negatief effect op de de performance over het geheel. Om dit probleem op te lossen, blokkeerden onderzoekers de aerobe ademhalingsroute van E. coli en S. oneidensis. Ze ontwikkelden een geleidende hydrogel met zuurstofbarrière-eigenschappen. De geleidende hydrogel werd gebruikt om E. coli, S. oneidensis en G. sulfurreducens in te kapselen om een ​​zuurstof-isolerende kunstmatige sedimentlaag te vormen die in staat is tot elektronenoverdracht.

Door de kunstmatige sedimentlaag met primaire degrader (E. coli) en eindverbruikers (S. oneidensis en G. sulfurreducens) te assembleren met een waterkolomlaag met primaire producent (cyanobacteriën), hebben de onderzoekers uiteindelijk een geïntegreerde bio-zonnecel geassembleerd die direct zet licht meer dan een maand om in elektriciteit.

Deze bio-zonnecel bootst de fysieke basisstructuur en ecologische structuur van de oceaanbatterij na, waarbij de ruimtelijk-temporele schaal aanzienlijk is verdicht en het aantal soorten geminimaliseerd, en kan dus worden beschouwd als een geminiaturiseerde bionische oceaanbatterij.

Deze studie toont aan dat een soortgeminimaliseerde en ruimtelijk-temporeel verdichte synthetische microbiële gemeenschap de foto-elektrische conversiefunctie van mariene microbiële ecosystemen kan reproduceren. De energie-efficiëntie van deze bionische oceaanbatterij is hoger dan die van mariene ecosystemen vanwege het overwinnen van het netwerkachtige en trage elektronenoverdrachtsmodel.

De ontwikkeling van geminiaturiseerde bionische oceaanbatterijen verbetert de biofotovoltaïsche efficiëntie en biedt een nieuwe route voor de ontwikkeling van efficiënte en stabiele bio-zonnecellen. Deze studie toont ook het biotechnologische potentieel van synthetische ecologie aan. + Verder verkennen

Wetenschappers ontwikkelen nieuw biofotovoltaïsch systeem