Microben kunnen belangrijke bondgenoten worden in de wereldwijde inspanningen om de CO2-uitstoot te beteugelen en gevaarlijke klimaatverandering te voorkomen. Een groep microben genaamd chemolithoautotrophs verbruikt CO ₂ door hun natuurlijke stofwisseling, kleine organische moleculen uitspugen als bijproduct. Deze microben kunnen worden ingeschakeld om industriële CO . om te zetten ₂ emissies in waardevolle chemicaliën, dankzij een nieuw concept ontwikkeld door Pascal Saikaly en zijn team bij KAUST.

Chemolithoautotrofen komen veel voor in de diepzee, in grotten en hydrothermale bronnen, waar conventionele energiebronnen, zoals zonlicht en organische koolstof, komen tekort. "De microben halen hun energie uit de oxidatie van anorganische verbindingen, zoals waterstof, ijzer en zwavel, " legt Bin Bian uit, een doctoraat student van Saikaly's team. De microben strippen de anorganische verbindingen van elektronen terwijl ze CO . opnemen ₂ en het reduceren tot biologische producten als onderdeel van het proces.

Chemolithoautotrope mogelijkheden benutten voor het recyclen van CO ₂ emissies in nuttige chemicaliën, onderzoekers leveren elektronen aan de microben in een proces dat microbiële elektrosynthese (MES) wordt genoemd. Typisch, MES-reactoren hebben chemolithoautotrofen gekweekt op een ondergedompelde platte kathode en geborreld CO ₂ gas in de oplossing, maar deze opstelling heeft twee belangrijke beperkingen, legt Manal Alqahtani uit, ook een doctoraatsstudent in het team. Vlakke plaatkathoden zijn moeilijk op te schalen en CO ₂ gas is slecht oplosbaar.

Het team ontwikkelde een alternatieve MES-reactor met behulp van kathoden gemaakt van stapelbare, cilindrische poreuze nikkelvezels die Saikaly's groep eerder had toegepast om water en energie uit afvalwater terug te winnen. CO ₂ wordt door elke cilinder gepompt, en elektronen stromen er langs. "Met behulp van deze architectuur, wij leveren direct CO ₂ gas naar chemolithoautotrofen door de poriën in de holle vezels, " zegt Alqahtani. "We hebben elektronen en CO . geleverd ₂ gelijktijdig met chemolithoautotrofen op het kathodeoppervlak."

In de eerste studie van Alqahtani, methaanproducerende microben konden CO . omzetten ₂ naar methaan met een efficiëntie van 77 procent, vergeleken met 3 procent efficiëntie met een conventioneel ontwerp.

Een vervolgonderzoek verbeterde de prestaties verder door de elektroden te coaten met koolstofnanobuisjes. Deze boden een meer biocompatibel oppervlak voor microbiële groei, en verbeterde de CO . van de holle vezels ₂ adsorptievermogen 11-voudig. "Aanvullend, de nanobuisjes verbeterden de elektronenoverdracht van elektrode naar chemolithoautotrofen, ", zegt Bin. In tests met acetaatproducerende microben, de productie van de chemische stof verdubbelde bijna toen de nanobuiscoating werd aangebracht.

Alqahtani's lopende werk omvat het onderzoeken van eenvoudigere benaderingen om poreuze cilindrische kathoden te ontwikkelen, terwijl Bian CO . optimaliseert ₂ stroomsnelheden en investeren in hernieuwbare MES-energiebronnen, zoals zonne-energie. Beide studenten erkennen de waardevolle bijdrage die Krishna Katuri aan hun studie heeft geleverd, een onderzoeker in het laboratorium van Saikaly.