Je hebt vandaag iets waardevols door de wc gespoeld.

Organische verbindingen in huishoudelijk afvalwater en industrieel afvalwater zijn een rijke potentiële energiebron, bioplastics en zelfs eiwitten voor veevoer, maar zonder efficiënte extractiemethode, zuiveringsinstallaties verwijderen ze als verontreinigingen. Nu hebben onderzoekers een milieuvriendelijke en kosteneffectieve oplossing gevonden.

Gepubliceerd in Grenzen in energieonderzoek , hun studie is de eerste die aantoont dat paarse fototrofe bacteriën - die energie uit licht kunnen opslaan - wanneer ze worden gevoed met een elektrische stroom, bijna 100% koolstof kunnen terugwinnen uit elk type organisch afval, terwijl waterstofgas wordt opgewekt voor elektriciteitsproductie.

"Een van de belangrijkste problemen van de huidige afvalwaterzuiveringsinstallaties is de hoge CO2-uitstoot, " zegt co-auteur Dr. Daniel Puyol van de King Juan Carlos University, Spanje. "Ons op licht gebaseerde bioraffinageproces zou een manier kunnen zijn om groene energie uit afvalwater te halen, met nul CO2-voetafdruk."

Paarse fotosynthetische bacteriën

Als het om fotosynthese gaat, groene zwijnen in de schijnwerpers. Maar als chlorofyl zich terugtrekt uit het herfstgebladerte, het laat zijn geel achter, oranje en rode neven. In feite, fotosynthetische pigmenten zijn er in allerlei kleuren - en allerlei soorten organismen.

Cue paarse fototrofe bacteriën. Ze vangen energie uit zonlicht met behulp van een verscheidenheid aan pigmenten, waardoor ze oranje tinten krijgen, rood of bruin, evenals paars. Maar het is de veelzijdigheid van hun metabolisme, niet hun kleur, wat ze zo interessant maakt voor wetenschappers.

"Paarse fototrofe bacteriën vormen een ideaal hulpmiddel voor het terugwinnen van hulpbronnen uit organisch afval, dankzij hun zeer diverse stofwisseling, " legt Puyol uit.

De bacteriën kunnen organische moleculen en stikstofgas gebruiken - in plaats van CO2 en H2O - om koolstof te leveren, elektronen en stikstof voor fotosynthese. Dit betekent dat ze sneller groeien dan alternatieve fototrofe bacteriën en algen, en kan waterstofgas genereren, eiwitten of een soort biologisch afbreekbare polyester als bijproducten van de stofwisseling.

Metabolische output afstemmen met elektriciteit

Welk stofwisselingsproduct de overhand heeft, hangt af van de omgevingsomstandigheden van de bacterie, zoals lichtintensiteit, temperatuur, en de soorten organische stoffen en voedingsstoffen die beschikbaar zijn.

"Onze groep manipuleert deze omstandigheden om het metabolisme van paarse bacteriën af te stemmen op verschillende toepassingen, afhankelijk van de organische afvalbron en de marktvereisten, " zegt co-auteur professor Abraham Esteve-Núñez van de Universiteit van Alcalá, Spanje.

"Maar wat uniek is aan onze aanpak is het gebruik van een externe elektrische stroom om de productieve output van paarse bacteriën te optimaliseren."

Dit begrip, bekend als een "bio-elektrochemisch systeem", werkt omdat de diverse metabole routes in paarse bacteriën zijn verbonden door een gemeenschappelijke munteenheid:elektronen. Bijvoorbeeld, een voorraad elektronen is nodig voor het opvangen van lichtenergie, terwijl stikstof in ammoniak wordt omgezet, worden overtollige elektronen vrijgemaakt, die moet worden afgevoerd. Door de elektronenstroom binnen de bacteriën te optimaliseren, een elektrische stroom - geleverd via positieve en negatieve elektroden, zoals in een batterij - kan deze processen afbakenen en de synthesesnelheid maximaliseren.

Maximale biobrandstof, minimale ecologische voetafdruk

In hun laatste onderzoek, de groep analyseerde de optimale omstandigheden voor het maximaliseren van de waterstofproductie door een mengsel van paarse fototrofe bacteriesoorten. Ze testten ook het effect van een negatieve stroom, dat wil zeggen, elektronen geleverd door metalen elektroden in het groeimedium - op het metabolische gedrag van de bacteriën.

Hun eerste belangrijke bevinding was dat het mengsel van voedingsstoffen dat de hoogste snelheid van waterstofproductie voedde, ook de productie van CO2 minimaliseerde.

"Dit toont aan dat paarse bacteriën kunnen worden gebruikt om waardevolle biobrandstof terug te winnen uit organische stoffen die typisch worden aangetroffen in afvalwater - appelzuur en natriumglutamaat - met een lage koolstofvoetafdruk, " meldt Esteve-Núñez.

Nog opvallender waren de resultaten met elektroden, die voor het eerst aantoonde dat paarse bacteriën in staat zijn elektronen van een negatieve elektrode of "kathode" te gebruiken om CO2 op te vangen via fotosynthese.

"Opnames van ons bio-elektrochemische systeem toonden een duidelijke interactie tussen de paarse bacteriën en de elektroden:negatieve polarisatie van de elektrode veroorzaakte een detecteerbaar verbruik van elektronen, geassocieerd met een vermindering van de productie van kooldioxide.

"Dit geeft aan dat de paarse bacteriën elektronen van de kathode gebruikten om via fotosynthese meer koolstof uit organische verbindingen te vangen, er komt dus minder vrij als CO2."

Naar bio-elektrochemische systemen voor waterstofproductie

Volgens de auteurs, dit was het eerste gerapporteerde gebruik van gemengde culturen van paarse bacteriën in een bio-elektrochemisch systeem - en de eerste demonstratie van enig fototrof-verschuivend metabolisme als gevolg van interactie met een kathode.

Het opvangen van overtollige CO2 geproduceerd door paarse bacteriën kan niet alleen nuttig zijn voor het verminderen van koolstofemissies, maar ook voor het raffineren van biogas uit organisch afval voor gebruik als brandstof.

Echter, Puyol geeft toe dat het echte doel van de groep verder in het verschiet ligt.

"Een van de oorspronkelijke doelstellingen van het onderzoek was om de productie van biowaterstof te verhogen door elektronen van de kathode te doneren aan het metabolisme van paarse bacteriën. het lijkt erop dat de PPB-bacteriën deze elektronen liever gebruiken voor het vastleggen van CO2 in plaats van het maken van H2.

"We hebben onlangs financiering verkregen om dit doel na te streven met verder onderzoek, en zal hier de komende jaren aan werken. Blijf op de hoogte voor meer metabolische afstemming."