Gebruik maken van elektriciteit genererende bacteriën om drinkwater op te ruimen

Anonim

Gebruik maken van elektriciteit genererende bacteriën om drinkwater op te ruimen

Wetenschap

Michael Irving

13 februari 2017

2 afbeeldingen

DSFO +, een molecuul dat hier in kristalvorm wordt gezien, is gebruikt om de energie te stimuleren die wordt gegenereerd door de contaminant-consumerende bacteriën, Shewanella oneidensis (Credit: Zachary Rengert)

De bacterie Shewanella oneidensis is een fan van zware metalen. De smaak voor ijzer, lood en kwik maakt het nuttig voor het reinigen van water van deze verontreinigingen, en nog beter is het feit dat het elektriciteit opwekt terwijl het naar beneden stroomt. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Barbara (UCSB), de bacteriën chemisch gemodificeerd om hun energieproductievermogen te vergroten, wat zou kunnen leiden tot een andere manier voor afvalwaterzuiveringsinstallaties die een deel van hun eigen kracht genereren.

Genoemd naar Oneida Lake, New York, waar het voor het eerst werd geïsoleerd in 1988, bevat Shewanella oneidensis eiwitten in zijn celmembraan die elektronen geleiden en essentieel zijn voor de ademhaling van de cellen. Om het vermogen van de cellen van de bacterie om energie te produceren als onderdeel van hun metabolisme beter te benutten, ontwikkelde het onderzoeksteam een ​​synthetische molecule genaamd DSFO +, die deze celmembranen modificeert maar, omdat het ijzer bevat, nog steeds elektronen kan geleiden.

Getest in twee mutante stammen van Shewanella, vond het team dat DSFO + niet alleen de natuurlijke stroomgeleidende eiwitten volledig kon vervangen, maar hun werk efficiënter kon doen, waardoor de kracht die de microbe voortstuwde, werd verhoogd.

"Het eiwitvervangende molecuul dat we hebben gemaakt, modificeert het celmembraan zodat het de ademhaling vergemakkelijkt door elektronafgifte aan het membraanoppervlak", zegt Guillermo Bazan, co-auteur van het onderzoek. "Het is een opwindende truc die ons de mogelijkheid biedt om het gedrag van microbiële soorten te bekijken op een manier die voorheen niet bestond. "

Normaal gesproken zullen wetenschappers dit soort veranderingen aanbrengen door een organisme genetisch te wijzigen, maar het is een gecompliceerd proces en met alle administratieve rompslomp die is ontworpen om gemanipuleerde microben te beschermen tegen 'ontsnappen' in het wild, is het veel moeilijker om ze toe te passen op situaties in de echte wereld. De opgemaakte Shewanella daarentegen is chemisch gemodificeerd en de effecten ervan zijn tijdelijk: elke keer dat de bacterie zich vermenigvuldigt, verdunt de DSFO + en keert deze uiteindelijk terug naar zijn oorspronkelijke staat.

"We hebben het metabolisme van de bacteriën geholpen", zegt Nathan Kirchhofer, co-lead auteur. "Ik denk dat maar heel weinig mensen dit hebben benaderd vanuit een benadering van chemische modificatie, we namen juist bacteriën zoals ze waren en voegden een externe agent toe die helpt bij hun eigen proces." Voor zover ons bekend is, is dit de eerste keer dit is aangetoond. "

(Van links) Nathan Kirchhofer, Zachary Rengert en Guillermo Bazan, drie van de onderzoekers van het project (Credit: Sonia Fernandez)

Naast het efficiënter produceren van energie, zou de DSFO + ook kunnen fungeren als een soort voedingsadapter tussen de geproduceerde elektriciteit en de door de mens gemaakte systemen die deze zouden kunnen oogsten. In hun natuurlijke staat kunnen bacteriën zoals Shewanella niet elektrisch communiceren met een elektrode, maar dit synthetische molecuul zou de mogelijkheid kunnen openen. Uiteindelijk kunnen de microben worden gebruikt om niet alleen verontreinigingen in afvalwater af te breken, maar in het proces voldoende elektriciteit te genereren om een ​​deel van de kosten van die waterbehandeling terug te verdienen.

In de tussentijd hopen de onderzoekers de gemodificeerde bacteriën te gebruiken om de interne processen van de soort te bestuderen, wat kan leiden tot verdere doorbraken en toepassingen op het circuit.

"Eén idee is het verwijderen van elektronen, wat gebruikelijk is en gemakkelijk kan worden uitgevoerd", zegt Bazan. "Maar wat gebeurt er als we elektronen leveren om chemische reacties uit te voeren? Kunnen we ook de gezondheid van dat micro-organisme monitoren door zijn elektronische handtekeningen? Als we een medicijn in het organisme plaatsen, hoe beïnvloedt dat dan zijn metabolisme?, hoe ademt het? Als het zich in een gemeenschap van micro-organismen bevindt, sturen ze elektronische handtekeningen om elkaar te laten weten wat er aan de hand is? Kunnen we dat onderscheppen? Kunnen we dat vastleggen? Deze mogelijkheden worden nu uitvoerbaar en fundamenteel nieuwe wegen van onderzoek openen. "

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Chem .

Bron: UCSB

(Van links) Nathan Kirchhofer, Zachary Rengert en Guillermo Bazan, drie van de onderzoekers van het project (Credit: Sonia Fernandez)

DSFO +, een molecuul dat hier in kristalvorm wordt gezien, is gebruikt om de energie te stimuleren die wordt gegenereerd door de contaminant-consumerende bacteriën, Shewanella oneidensis (Credit: Zachary Rengert)