Mikrober som växer på porösa cylindriska elektroder suger in CO2 och förvandlar den till användbara kemikalier som acetat och metan.© 2018 Bin Bian
Mikrober kan bli nyckelallierade i globala ansträngningar för att minska koldioxidutsläppen och undvika farliga klimatförändringar. En grupp mikrober som kallas kemolitoautotrofer konsumerar CO 2 genom sin naturliga ämnesomsättning, spottar ut små organiska molekyler som en biprodukt. Dessa mikrober skulle kunna värvas för att omvandla industriell CO 2 utsläpp till värdefulla kemikalier, tack vare ett nytt koncept utvecklat av Pascal Saikaly och hans team på KAUST.
Kemolitoautotrofer finns vanligtvis i djuphavet, i grottor och hydrotermiska ventiler, där konventionella energikällor, som solljus och organiskt kol, saknas. "Mikroberna får sin energi från oxidation av oorganiska föreningar, som väte, järn och svavel, " förklarar Bin Bian, en Ph.D. elev från Saikalys team. Mikroberna tar bort de oorganiska föreningarna från elektroner samtidigt som de tar upp CO 2 och reducera den till ekologiska produkter som en del av processen.
För att utnyttja kemolitoautotrof-kapacitet för återvinning av CO 2 utsläpp till användbara kemikalier, forskare levererar elektroner till mikroberna i en process som kallas mikrobiell elektrosyntes (MES). Vanligtvis, MES-reaktorer har odlat kemolitoautotrofer på en nedsänkt platt-ark-katod och bubblad CO 2 gas i lösningen, men den här inställningen har två viktiga begränsningar, förklarar Manal Alqahtani, även en doktorand i teamet. Plattarkatoder är svåra att skala upp och CO 2 gas har dålig löslighet.
Teamet utvecklade en alternativ MES-reaktor med katoder gjorda av stapelbara, cylindriska porösa nickelfibrer som Saikalys grupp tidigare använt för att återvinna vatten och energi från avloppsvatten. CO 2 pumpas genom varje cylinder, och elektroner strömmar längs den. "Med den här arkitekturen, vi levererar CO direkt 2 gas till kemolitoautotrofer genom porerna i de ihåliga fibrerna, " Alqahtani säger. "Vi tillhandahöll elektroner och CO 2 samtidigt med kemolitoautotrofer på katodytan."
I Alqahtanis första studie, metanproducerande mikrober kunde omvandla CO 2 till metan med 77 procent effektivitet, jämfört med 3 procent effektivitet med en konventionell design.
En uppföljningsstudie förbättrade prestandan ytterligare genom att belägga elektroderna med kolnanorör. Dessa erbjöd en mer biokompatibel yta för mikrobiell tillväxt, och förbättrade de ihåliga fibrernas CO 2 adsorptionsförmåga 11 gånger. "Dessutom, nanorören förbättrade elektronöverföringen från elektrod till kemolitoautotrofer, " säger Bin. I tester med acetatproducerande mikrober, produktionen av kemikalien nästan fördubblades när nanorörsbeläggningen applicerades.
Alqahtanis pågående arbete inkluderar att undersöka enklare metoder för att utveckla porösa cylindriska katoder, medan Bian optimerar CO 2 flödeshastigheter och investeringar i förnybara MES-energikällor, såsom solenergi. Båda studenterna erkänner det värdefulla bidraget till deras studier av Krishna Katuri, en forskare i Saikalys labb.
