Bakterie które usuwają zanieczyszczenia - przydatne w energetyce
Piotr Olszowiec
na podstawie: D. Lovley - „Microbes harvest electricity from waste organic matter”, Electric Light &Power
Szybki rozwój biologii, a zwłaszcza genetyki odkrywa nowe perspektywy dla wielu dziedzin nauki i gospodarki. Jedną z nich jest energetyka, przed którą pojawiła się możliwość osiągnięcia efektów trudnych do uzyskania przy zastosowaniu obecnie dostępnych technologii. Departament Energetyki USA wyasygnował dla 20 uniwersytetów i placówek naukowych kwotę 103 mln USD na wykonanie badań w ramach programu o nazwie „Genomes of Life”. Celem programu jest rozpoznanie i wykorzystanie sposobów, które przyroda zastosowała dla rozwiązania problemów związanych z wytwarzaniem energii, oczyszczaniem środowiska naturalnego i przetwarzaniem węgla.
Naukowcy z Brookhaven National Laboratory należącego do Departamentu Energetyki USA wyhodowali odmianę bakterii zdolnych do życia w nieprzyjaznym środowisku i żywiących się związkami węglowodorowymi takimi jak węgiel. Przemiana materii zachodząca w tych mikroorganizmach umożliwia usuwanie szkodliwych zanieczyszczeń zawartych w węglu przyczyniając się do jego oczyszczania i poprawy jakości.
Autorami tego objętego ochroną patentową odkrycia są dwaj chemicy Mow Lin i Eugene Premuzic. Węgiel jest jednym z najpowszechniej występujących paliw organicznych na Ziemi. Niestety jego spalaniu towarzyszy wydzielanie licznych, bardzo szkodliwych zanieczyszczeń jak na przykład tlenków siarki i azotu oraz odpadów paleniskowych zawierających toksyczne substancje, w tym metale ciężkie. W przeszłości biolodzy podejmowali próby użycia pewnych bakterii do usuwania tych zanieczyszczeń, jednak większość mikroorganizmów nie może przetrwać w trudnych warunkach fizyko-chemicznych (wysoka temperatura, ciśnienie, odczyn itp.) występujących w procesach przetwarzania węgla.
Lin i Premuzic, którzy 10 lat wcześniej wsławili się wyhodowaniem gatunku mikrobów, mogących żywić się ropą naftową, zdecydowali się użyć do prób bakterie naturalnie przystosowane do ekstremalnych warunków środowiskowych i sprawdzić, czy będą one w stanie zmienić swoją dietę? Bakterie takie pobrano ze źródeł geotermalnych w Ameryce Północnej. W trakcie prób naukowcy wykorzystali zdolność stopniowej adaptacji mikrobów do zmieniających się warunków zewnętrznych. Najpierw bakterie umieszczono w środowisku zawierającym - obok innych pokarmów - również niewielkie ilości ropy naftowej.
Te odmiany bakterii, które okazały się zdolne do przeżycia w obecności ropy, zostały następnie przeniesione do nowego środowiska, tym razem zawierającego więcej ropy, a mniej innych pokarmów. Proces ten powtarzano wielokrotnie, zwiększając zawartość ropy i eliminując inne pokarmy. Ostatecznie wyselekcjonowano gatunek bakterii, które mogły się żywić wyłącznie ropą naftową. Następnie powtórzono analogiczne postępowanie z tym szczepem bakterii zastępując stopniowo ropę węglem. Ten długotrwały proces wymuszonej, płynnej zmiany pożywienia i warunków fizyko-chemicznych środowiska zaowocował ostatecznie wyhodowaniem mikrobów spełniających wyznaczone wymagania.
Nowe gatunki bakterii o przykładowych nazwach Leptospirillum ferrooxidans i Thiobacillus ferrooxidans nie tylko żywią się węglem, lecz są przystosowane do ekstremalnych warunków takich jak temperatura 85 st. C, ciśnienie 2500 psi, szeroki zakres pH i zasolenia, obecność metali ciężkich. Thiobacillus ferrooxidans jest jednym z wielu gatunków bakterii zdolnych do usuwania siarczków metali. Mikroby te występują w środowiskach o dużej zawartości związków siarki takich jak kopalnie, oczyszczalnie ścieków czy woda morska. Ich zdolności do usuwania metali dzięki utlenianiu nierozpuszczalnych siarczków są od dawna znane. Odgrywają ważną rolę w biologicznych procesach odsiarczania węgli oraz oczyszczania ścieków przemysłowych.
Wyhodowane gatunki bakterii dokonują rozkładu złożonych cząsteczek węgla na prostsze molekuły, a jednocześnie usuwają zanieczyszczenia w postaci siarki i toksycznych metali. Otrzymany węgiel w nowej postaci jest nie tylko znacznie czystszy chemicznie, lecz zapewnia wyższą sprawność przemiany energetycznej od wyjściowego paliwa. Najlepsze wyniki można uzyskać przez wykorzystanie kombinacji różnych nowych odmian bakterii, z których każda powoduje charakterystyczne przekształcenie złożonej struktury węglowodoru i skutecznie eliminuje wybrany rodzaj zanieczyszczenia.
Trwa również realizacja innego programu badawczego, którego celem jest uzyskanie z pomocą wyselekcjonowanych mikrobów nowego rodzaju źródeł prądu elektrycznego.
Od miliardów lat rośliny gromadzą energię przyswajając dwutlenek węgla. Dotychczasowe badania amerykańskich uczonych wskazały drogę zamiany tej energii chemicznej na energię elektryczną za pomocą mikroorganizmów, które mogą utleniać materię organiczną do dwutlenku węgla przenosząc powstające przy tym elektrony do elektrody potencjalnego źródła prądu. Naukowcy z Laboratorium Badań Mórz jako pierwsi wykryli wytwarzanie energii elektrycznej w układzie elektrod grafitowych, z których jedną zanurzono w czarnym mule morskim, a drugą w wierzchniej warstwie wody.
Początkowo przypuszczano, że przepływ ładunków elektrycznych został spowodowany przez utlenianie zredukowanych substancji chemicznych obecnych w mule, takich jak siarczki i tlenki żelaza. Wkrótce jednak okazało się, że przyczyną zjawiska była kolonia mikroorganizmów przylegających do elektrody zanurzonej w mule. Mikroby te, znane pod nazwą Geobacteraceae (ang. geobacters), rozwijają się w glebie, zużywając żelazo w podobny sposób jak ludzie wykorzystują tlen. W organizmie człowieka zachodzi utlenianie tłuszczów, białek i cukrów do dwutlenku węgla przy udziale wdychanego tlenu. Natomiast w mule pozbawionym tlenu Geobacteraceae utleniają swój pokarm (również do dwutlenku węgla) za pomocą obecnych w nim tlenków żelaza. W procesie tym następuje przenoszenie elektronów z utlenianej substancji organicznej do elektrody zanurzonej w mule, skąd przepływają one do elektrody otoczonej czystą wodą. Między elektrodami powstaje różnica potencjałów, którą można wykorzystać w zewnętrznym obwodzie elektrycznym.
Osiągalna obecnie moc takiego biologicznego ogniwa wystarcza do zasilania tylko najmniejszych odbiorników takich jak kalkulator. Jednak nawet tak słabe źródła mogą być przydatne do zasilania niektórych urządzeń umieszczonych w odległych miejscach np. na dnie mórz, gdzie wymiana baterii jest utrudniona i kosztowna.
Innym zastosowaniem dla niezwykłych własności mikroorganizmów może okazać się wytwarzanie energii elektrycznej w oczyszczalniach ścieków. W obecnych rozwiązaniach oczyszczalni mikroorganizmy spalają zawarte w ściekach substancje organiczne przenosząc elektrony do tlenu, lecz wydzielana przy tym energia nie jest odzyskiwana. Gdyby jednak użycie tlenu zastąpić elektrodami umieszczonymi w zbiorniku, to możliwe byłoby czerpanie z niego energii elektrycznej.
Przewiduje się także wykorzystanie Geobacteraceae do przetwarzania biomasy zastępując obecnie stosowany proces produkcji etanolu. Przemiana energii chemicznej substancji organicznych wprost na energię elektryczną byłaby w wielu aplikacjach korzystniejsza od uzyskiwania pośredniej formy energii zawartej w paliwach takich jak etanol. W celu pełniejszego wykorzystania tych nowych możliwości uczeni muszą dokładnie poznać mechanizm przenoszenia elektronów do elektrod przez Geobacteraceae. Do badań zostali zaangażowani także genetycy. Istnieją uzasadnione nadzieje, że wkrótce uczeni poznają nie tylko mechanizm wytwarzania energii elektrycznej przez mikroorganizmy, lecz także uzyskają metody genetycznego udoskonalania tych zdolności w celu uzyskania biologicznych źródeł prądu większej mocy. Optymizm naukowców podzielają decydenci Departamentu Energetyki i Departamentu Obrony finansujący obszerne programy badań.
Warto podkreślić, że nie są to bynajmniej pierwsze próby wykorzystania unikalnych własności mikroorganizmów w energetyce. Między innymi od szeregu lat w Stanach Zjednoczonych prowadzone są badania możliwości zastosowania pewnych mikrobów do zapobiegania korozji stali. Stwierdzono bowiem, że warstewki tych mikroorganizmów pokrywające powierzchnie stalowe skutecznie chronią je przed rozwojem procesów utleniania. W ostatnich latach próby powłok antykorozyjnych z udziałem mikrobów przeszły z fazy laboratoryjnej do przemysłowej.