Strukturjämförelsen av de marina mikrobiella ekosystemen och det miniatyriserade bioniska havsbatteriet. Båda systemen har samma fysiska struktur (vattenpelare och sedimentlager) och samma ekologiska struktur (primärproducenter, primära nedbrytare och slutkonsumenter). De marina mikrobiella ekosystemen är enorma med det genomsnittliga djupet som överstiger 4000 m, medan det miniatyriserade bioniska havsbatteriet komprimerades i ett fartyg med ett djup på 5 cm, vilket påskyndade elektronflödet genom att förkorta elektronöverföringsavståndet. I marina mikrobiella ekosystem, särskilt i anaeroba sediment, gör de mycket diversifierade mikrobiella arterna och deras komplexa interaktioner elektronflödet dispergerat till olika mikrobiellt förmedlade biogeokemiska processer, d.v.s. elementarcykler. Däremot innehåller det miniatyriserade bioniska havsbatteriet som tillverkats med hjälp av det syntetiska samhället endast fyra mikrobiella arter kopplade till de specifika energibärarna. Denna förenklade struktur riktar riktat elektroner mot det enda målet, d.v.s. elektrisk ström. Kredit:Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-33358-x
Forskarna från Institutet för mikrobiologi vid den kinesiska vetenskapsakademin har utvecklat ett miniatyriserat bioniskt havbatteri, en biosolcell som omvandlar ljus till elektricitet, genom att efterlikna den grundläggande ekologiska strukturen hos marina mikrobiella ekosystem. Denna studie publicerades i Nature Communications .
Hav täcker cirka 70 % av jordens yta. Ur ett energiperspektiv är marina ekosystem ett enormt bioomvandlingssystem för solenergi där mikroorganismer dominerar energiomvandlingsprocesserna.
Energiomvandling i marina ekosystem börjar med fotosyntes. Fotosyntetiska mikroorganismer, kallade primära producenter, belägna i den eufotiska zonen av vattenpelaren, absorberar solenergi och omvandlar fotoner till elektroner som används för att fixera koldioxid till organiskt material. Det organiska materialet förbrukas dels av plankton som lever i vattenpelaren och dels deponeras i de marina sedimenten där fakultativa anaeroba eller strikt anaeroba mikroorganismer mineraliserar det komplexa organiska materialet till koldioxid genom successiv oxidation.
Mikroorganismer i de marina sedimenten kan vidare delas in i två grupper. En grupp, som kallas primära nedbrytare, är ansvarig för nedbrytningen av komplext organiskt material till enkla organiska föreningar; den andra gruppen, som kallas slutkonsumenter, är ansvarig för den fullständiga oxidationen av enkla organiska föreningar och frigör elektroner för biologisk reduktion av element som kväve, järn, mangan och svavel. Genom fotosyntetisk kolfixering och mineralisering av organiskt material använder marina mikrobiella ekosystem solenergi för att driva biogeokemiska cykler.
Sett från yttre rymden kan marina mikrobiella ekosystem med fotoelektrisk omvandlingsfunktion betraktas som ett enormt "hav-batteri" laddat av solenergi. Emellertid är den rumsliga och tidsmässiga fördelningen av mikroorganismer i de marina ekosystemen enorm, och elektronöverföringen är trög och långsam, så effektiviteten av fotoelektrisk omvandling är låg. Forskarna föreslog att det är möjligt att utveckla ett rumsligt-temporalt komprimerat hav-batteri med avsevärt förbättrad energieffektivitet.
För att uppnå detta mål extraherade forskarna grundstrukturen för marina mikrobiella ekosystem. De designade och konstruerade en syntetisk mikrobiell gemenskap bestående av primärproducent (cyanobakterier), primär nedbrytare (Escherichia coli) och slutkonsumenter (Shewanella oneidensis och Geobacter sulfurreducens) för biofotoelektrisk omvandling.
I denna syntetiska mikrobiella gemenskap kan de konstruerade cyanobakterierna syntetisera sackaros från koldioxid genom att använda ljusenergi och lagra ljusenergi i sackaros; den konstruerade E. coli är ansvarig för nedbrytning av sackaros till laktat; S. oneidensis och G. sulfurreducens oxiderar helt laktat till koldioxid genom successiv oxidation och överför elektroner till de extracellulära elektroderna för att generera elektrisk ström och därigenom omvandla ljusenergi till elektricitet.
Forskarna visade att det mikrobiella samhället av fyra arter avsevärt överträffade trearter som saknade G. sulfurreducens och det tvåarter som saknade E. coli och G. sulfurreducens när det gäller intern resistens, maximal effekttäthet och stabilitet, vilket indikerar att bibehålla den fullständiga ekologiska strukturen hos de marina mikrobiella ekosystemen är avgörande för att uppnå effektiv biofotoelektrisk omvandling. Den maximala effekttätheten för denna mikrobiella gemenskap av fyra arter nådde 1,7 W/m 2 , vilket är en storleksordning högre än det för två-arter biofotovoltaiska system som rapporterats av författarna i tidigare arbete (Zhu et al, Nature Communications , 2019, 10:4282).
Forskarna fann vidare att syret som produceras av cyanobakterier under fotosyntesen möjliggjorde aerob andning av E. coli och S. oneidensis, och syret hämmade elektricitetsgenereringen av S. oneidensis och den strikt anaeroba G. sulfurreducens, vilket ledde till negativ effekt på prestanda. För att lösa detta problem blockerade forskare den aeroba andningsvägen hos E. coli och S. oneidensis. De utvecklade en ledande hydrogel med syrebarriäregenskaper. Den ledande hydrogelen användes för att kapsla in E. coli, S. oneidensis och G. sulfurreducens för att bilda ett syreisolerande artificiellt sedimentlager som kan överföra elektroner.
Genom att sätta ihop det artificiella sedimentskiktet innehållande primär nedbrytare (E. coli) och slutkonsumenter (S. oneidensis och G. sulfurreducens) med ett vattenpelarskikt innehållande primär producent (cyanobakterier), satte forskarna så småningom ihop en integrerad bio-solcell som direkt omvandlar ljus till el i över en månad.
Denna bio-solcell efterliknar den grundläggande fysiska strukturen och ekologiska strukturen hos havsbatteriet, med den rumsliga-temporala skalan avsevärt kompakterad och antalet arter minimerat, och kan därför betraktas som ett miniatyriserat bioniskt havsbatteri.
Denna studie visar att en artminimerad och rumsligt-temporärt komprimerad syntetisk mikrobiell gemenskap kan reproducera den fotoelektriska omvandlingsfunktionen hos marina mikrobiella ekosystem. Energieffektiviteten för detta bioniska havsbatteri är högre än för marina ekosystem på grund av att man övervinner den nätverksliknande och tröga elektronöverföringsmodellen.
Utvecklingen av miniatyriserade bioniska havsbatterier förbättrar den biofotovoltaiska effektiviteten och ger en ny väg för utveckling av effektiva och stabila biosolceller. Denna studie visar också den biotekniska potentialen hos syntetisk ekologi. + Utforska vidare
