Бактериите върху нанопроводниците превръщат слънчевата светлина, въглеродния диоксид и водата в органични градивни елементи
Химиците са създали хибридна система от бактерии и нанопроводници, която улавя енергия от слънчевата светлина и я прехвърля на бактерии, които да превърнат въглеродния диоксид и водата в органични молекули и кислород.
На Земята такъв биохибрид би могъл да премахва въглероден диоксид от атмосферата. А на Марс това би могло да осигури на колонистите суровина за производство на органични съединения, вариращи от горива до лекарства.
Ефективността на тази технология е по-голяма от фотосинтетичната ефективност на повечето растения.
Ако хората се надяват някога да колонизират Марс, заселниците ще трябва да произвеждат на планетата огромен набор от органични съединения – от горива до лекарства, които са твърде скъпи за превоз от Земята.
Химиците от Калифорнийския университет и Националната лаборатория в Бъркли имат вече план за това.
През последните осем години учените работят върху хибридна система, съчетаваща бактерии и нанопроводници, които могат да улавят енергията на слънчевата светлина за преобразуване на въглероден диоксид и вода в градивни елементи за органични молекули. Нанопроводниците са тънки силициеви проводници с дебелина около една стотна от човешкия косъм, използвани като електронни компоненти, а също и като сензори и слънчеви клетки.
„На Марс около 96% от атмосферата е CO2. По принцип всичко, от което се нуждаете, са въпросните силициеви полупроводникови нанопроводници, с които да поемете слънчевата енергия и да я предадете на тези бактерии, за да направят химията вместо вас“, казва ръководителят на проекта Пейдун Ян, професор по химия от лабораторията в Бъркли. „При далечна космическа мисия трябва да се грижите за теглото на полезния товар, а биологичните системи имат предимството да се самовъзпроизвеждат, така че не е необходимо да изпращате много. Ето защо нашата биохибридна разработка е изключително привлекателна.“
Единственото друго изискване, освен слънчевата светлина, е водата, която на Марс е сравнително изобилна в полярните ледени шапки и вероятно лежи замръзнала под земята на по-голямата част от планетата, заявява Ян.
Биохибридът може също така да изтегля въглероден диоксид от въздуха на Земята, за да произвежда органични съединения и едновременно с това да ограничи и климатичните промени, предизвиквани именно от излишък на произведен от човека CO2 в атмосферата.
В нова публикация, за списание Joule, учените съобщават за крайъгълен камък при въвеждането на тези бактерии (Sporomusa ovata) в “гора от нанопроводници“, за да се постигне рекордна ефективност. 3.6% от постъпващата слънчева енергия се преобразува и съхранява във въглеродни връзки под формата на дву-въглеродна молекула, наречена ацетат: по същество оцетна киселина или оцет.
Ацетатните молекули могат да служат като градивни елементи за редица органични молекули, от горива и пластмаси до лекарства. Много други органични продукти могат да бъдат направени от ацетат вътре в генно-модифицирани организми, като бактерии или дрожди.
Системата работи като фотосинтеза, която растенията по естествен начин използват за преобразуване на въглероден диоксид и вода във въглеродни съединения, предимно захар и въглехидрати. Растенията обаче имат доста ниска ефективност, обикновено преобразуват по-малко от половин процент от слънчева енергия във въглеродни съединения. Системата на Ян е сравнима с растението, което най-добре преобразува CO2 в захар – захарната тръстика, която е с ефективност цели 4-5%.
Ян също така работи върху системи за ефективно производство на захари и въглехидрати от слънчева светлина и въглероден диоксид, което потенциално ще осигури храна за бъдещите колонисти на Марс.
Когато Ян и неговите колеги за първи път демонстрират хибридния си нанопроводников бактериален реактор преди пет години, ефективността на слънчевата конверсия е само около 0.4% – сравнима с растенията, но все още ниска в сравнение с типичната ефективност от 20% или повече за силициеви слънчеви панели, които преобразуват светлината в електричество. Ян е един от първите, които превръщат нанопроводници в слънчеви панели, преди около 15 години.
Първоначално експертите се опитват да повишат ефективността, като натрупват повече бактерии върху нанопроводниците и прехвърлят електрони директно към бактериите за химическата реакция. Но бактериите се отделят от нанопроводниците, прекъсвайки веригата.
Учените в крайна сметка откриват, че докато произвеждат ацетат, бактериите намаляват киселинността на заобикалящата ги вода – тоест, увеличават pH – което ги кара да се отделят от нанопроводниците. В крайна сметка той и неговите колеги намират начин да запазят водата малко по-киселинна, за да противодействат на ефекта от повишаването на pH в резултат на непрекъснатото отделяне на ацетат. Това им позволява да въвеждат много повече бактерии в гората от нанопроводници, повишавайки ефективността почти с коефициент 10. Така те са в състояние да експлоатират реактора, представляващ гора от успоредни нанопроводници, в продължение на седмица, без бактериите да се отлепят.
В този конкретен експеримент нанопроводниците са използвани само като проводими проводници, а не като слънчеви абсорбатори, тъй като в случая външен слънчев панел осигурява енергията.
В реална система, обаче, нанопроводниците ще абсорбират светлина, ще генерират електрони и ще ги транспортират до бактериите, залепени върху нанопроводниците. Бактериите поемат електроните и подобно на начина, по който растенията произвеждат захари, превръщат две молекули въглероден диоксид и вода в ацетат и кислород.
„Тези силиконови нанопроводници са по същество като антена: Те улавят слънчевия фотон точно като слънчев панел“, обяснява Ян. „В рамките на тези силициеви нанопроводници те ще генерират електрони и ще ги подават към тези бактерии. Тогава бактериите абсорбират CO2, правят химията и изплюват ацетат.“
Кислородът е една странична полза и на Марс би могъл да попълни изкуствената атмосфера за колонистите, която би имитирала 21%-ната кислородна среда на Земята.
Ян е премодифицирал системата и по други начини – например като вгражда квантови точки в собствената мембрана на бактериите, които действат като слънчеви панели, абсорбирайки слънчевата светлина и премахвайки необходимостта от силиконови нанопроводници. Тези бактерии-киборги също произвеждат оцетна киселина.
Неговата лаборатория продължава да търси начини за повишаване на ефективността на биохибрида, а също така изследва техники за генно инженерство на бактериите, за да ги направи по-универсални и способни да произвеждат различни органични съединения.
Изследването е подкрепено с безвъзмездна помощ от НАСА към Центъра за използване на биологичното инженерство в Космоса (CUBES), в който редица университети обединяват усилия за разработване на техники за биопроизводство в космическото пространство.
Източник: sciencedaily
Превод: Радослав Тодоров
