Du har spolat ner något värdefullt i toaletten idag.

Organiska föreningar i hushållens avloppsvatten och industriavloppsvatten är en rik potentiell energikälla, bioplast och till och med proteiner för djurfoder - men utan effektiv utvinningsmetod, reningsverk kasserar dem som föroreningar. Nu har forskare hittat en miljövänlig och kostnadseffektiv lösning.

Publicerad i Gränser inom energiforskning , deras studie är den första som visar att lila fototrofa bakterier – som kan lagra energi från ljus – när de tillförs en elektrisk ström kan återvinna nästan 100 % av kolet från alla typer av organiskt avfall, samtidigt som vätgas genereras för elproduktion.

"Ett av de viktigaste problemen med nuvarande avloppsreningsverk är höga koldioxidutsläpp, " säger medförfattaren Dr Daniel Puyol från King Juan Carlos University, Spanien. "Vår ljusbaserade bioraffinaderiprocess kan ge ett sätt att skörda grön energi från avloppsvatten, med noll koldioxidavtryck."

Lila fotosyntetiska bakterier

När det gäller fotosyntes, gröna grisar rampljuset. Men när klorofyll drar sig tillbaka från höstens lövverk, den lämnar efter sig sitt gula, orange och röda kusiner. Faktiskt, fotosyntetiska pigment finns i alla möjliga färger - och alla möjliga organismer.

Cue lila fototrofiska bakterier. De fångar energi från solljus med hjälp av en mängd olika pigment, som gör dem till nyanser av orange, röd eller brun — såväl som lila. Men det är mångsidigheten i deras ämnesomsättning, inte deras färg, vilket gör dem så intressanta för forskare.

"Lila fototrofa bakterier är ett idealiskt verktyg för resursåtervinning från organiskt avfall, tack vare deras mycket varierande ämnesomsättning, " förklarar Puyol.

Bakterierna kan använda organiska molekyler och kvävgas – istället för CO2 och H2O – för att ge kol, elektroner och kväve för fotosyntes. Detta innebär att de växer snabbare än alternativa fototrofa bakterier och alger, och kan generera vätgas, proteiner eller en typ av biologiskt nedbrytbar polyester som biprodukter av metabolism.

Justera metabolisk effekt med elektricitet

Vilken metabolisk produkt som dominerar beror på bakteriernas miljöförhållanden – som ljusintensitet, temperatur, och vilka typer av organiska ämnen och näringsämnen som finns tillgängliga.

"Vår grupp manipulerar dessa förhållanden för att anpassa metabolismen av lila bakterier till olika applikationer, beroende på källan av organiskt avfall och marknadens krav, "säger medförfattaren professor Abraham Esteve-Núñez vid universitetet i Alcalá, Spanien.

"Men det som är unikt med vårt tillvägagångssätt är användningen av en extern elektrisk ström för att optimera den produktiva produktionen av lila bakterier."

Detta koncept, känt som ett "bioelektrokemiskt system", fungerar eftersom de olika metaboliska vägarna i lila bakterier är sammankopplade med en gemensam valuta:elektroner. Till exempel, en tillförsel av elektroner krävs för att fånga ljusenergi, samtidigt som kväve omvandlas till ammoniak frigörs överskott av elektroner, som måste skingras. Genom att optimera elektronflödet i bakterierna, en elektrisk ström - tillhandahålls via positiva och negativa elektroder, som i ett batteri – kan avgränsa dessa processer och maximera synteshastigheten.

Maximalt biobränsle, minsta koldioxidavtryck

I deras senaste studie, gruppen analyserade de optimala förutsättningarna för att maximera väteproduktionen genom en blandning av lila fototrofa bakteriearter. De testade också effekten av en negativ ström - det vill säga elektroner som tillförs av metallelektroder i odlingsmediet - om bakteriernas metaboliska beteende.

Deras första nyckelfynd var att den näringsblandning som gav den högsta väteproduktionen också minimerade produktionen av CO2.

"Detta visar att lila bakterier kan användas för att återvinna värdefullt biobränsle från organiska ämnen som vanligtvis finns i avloppsvatten - äppelsyra och natriumglutamat - med ett lågt koldioxidavtryck, " rapporterar Esteve-Núñez.

Ännu mer slående var resultaten med elektroder, som för första gången visade att lila bakterier är kapabla att använda elektroner från en negativ elektrod eller "katod" för att fånga CO2 via fotosyntes.

"Inspelningar från vårt bioelektrokemiska system visade en tydlig interaktion mellan de lila bakterierna och elektroderna:negativ polarisering av elektroden orsakade en detekterbar förbrukning av elektroner, förknippas med en minskning av koldioxidproduktionen.

"Detta indikerar att de lila bakterierna använde elektroner från katoden för att fånga upp mer kol från organiska föreningar via fotosyntes, så mindre släpps ut som CO2."

Mot bioelektrokemiska system för väteproduktion

Enligt författarna, detta var den första rapporterade användningen av blandade kulturer av lila bakterier i ett bioelektrokemiskt system - och den första demonstrationen av någon fototrofförskjutande metabolism på grund av interaktion med en katod.

Att fånga upp överskott av CO2 som produceras av lila bakterier kan vara användbart inte bara för att minska koldioxidutsläppen, men också för att förädla biogas från organiskt avfall för användning som bränsle.

Dock, Puyol medger att gruppens sanna mål ligger längre fram.

"Ett av de ursprungliga syftena med studien var att öka produktionen av bioväte genom att donera elektroner från katoden till metabolismen av lila bakterier. det verkar som att PPB-bakterierna föredrar att använda dessa elektroner för att fixera CO2 istället för att skapa H2.

"Vi fick nyligen finansiering för att fullfölja detta mål med ytterligare forskning, och kommer att arbeta med detta under de kommande åren. Håll utkik för mer metabolisk justering."