Najdou odpadní vody nové využití? Bakterie z ní umí získávat elektrickou energii

Průlom v oblasti bioelektroniky – právě tak by se dal označit objev výzkumníků z EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), kteří se zaměřili na schopnost bakterií E. coli vyrábět elektřinu. Novinka tak nabízí udržitelné řešení pro zpracování organického odpadu, překonává předchozí nejmodernější technologie a zároveň otevírá nové obzory pro všestrannou mikrobiální výrobu elektřiny.

Starý strašák, nové využití

Bakterie E. coli je nejspíše širší veřejnosti známá zejména jako bakterie, která ne tak úplně dávno způsobila rozsáhlý problém se spoustou úmrtí v Africe. Méně lidí už ovšem ví, že se bakterie běžně vyskytuje v lidském zažívacím traktu, konkrétně v tlustém a tenkém střevě, a zmíněné zdravotní problémy působí pouze jeden její kmen.

K úpravě tak v rámci studie došlo právě na bežně se vyskytující bakterii – a výstupem je bakterie schopná vyrábět elektřinu. Rozdíl oproti dřívějším studiím na bakteriích je přitom markantní – i když existují exotické mikroby, které přirozeně produkují elektřinu, mohou tak činit pouze za přítomnosti specifických chemikálií. E. coli přitom může růst na široké škále zdrojů, což umožnilo vyrábět elektřinu v širokém spektru prostředí, včetně odpadních vod.

Člověkem opravená E. coli

Bakterie E. coli, základ biologického výzkumu, byly využity k výrobě elektřiny prostřednictvím procesu známého jako extracelulární přenos elektronů (EET). Výzkumníci EPFL zkonstruovali bakterie E. coli tak, aby vykazovaly zvýšenou EET, což z nich dělá vysoce účinné „elektrické mikroby“. Na rozdíl od předchozích metod, které pro výrobu elektřiny vyžadovaly specifické chemikálie, může bioinženýrská E. coli vyrábět elektřinu a zároveň metabolizovat různé organické substráty.

Jednou z klíčových inovací studie je vytvoření kompletní EET v rámci E. coli, což se dosud nepodařilo. Integrací komponent z mikrobu Shewanella oneidensis MR-1, bakterie známé pro výrobu elektřiny, vědci úspěšně zkonstruovali optimalizovanou dráhu, která překlene vnitřní a vnější membránu buňky. Tato nová cesta překonala předchozí dílčí přístupy a vedla k trojnásobnému zvýšení výroby elektrického proudu ve srovnání s konvenčními strategiemi.

Dvě mouchy jednou ranou

Neméně důležité je, že upravená E. coli vykazovala pozoruhodný výkon v různých prostředích, včetně odpadních vod sbíraných z pivovaru. Zatímco exotické, elektřinu vyrábějící mikroby ve své produkci elektřiny začínaly pokulhávat, modifikovaná E. coli vzkvétala a ukázala svůj potenciál pro výrobu energie a zpracování odpadu ve velkém.

Při testování na lokální odpadní vodě, tedy vodě odebrané z Les Brasseurs, místního pivovaru v Lausanne, se dokonce zjistilo, že exotické elektřinu vyrábějící mikroby ani nejsou schopné v tomto typu odpadní vody přežít, zatímco bioinženýrsky zdokonalené elektrické bakterie E. coli jsou schopny se odpadní vodou živit a exponenciálně se množit.

V konečném důsledku tak jde o řešení dvou problémů jednou ranou – místo abychom elektrickou energií dotovali systém na zpracování organického odpadu, vyrábíme elektřinu a zároveň zpracováváme organický odpad.

Důsledky studie ovšem dalece přesahují zpracování odpadu. Díky schopnosti generovat elektřinu ze široké škály zdrojů může být upravená E. coli využita, pár příkladů pro představu, v mikrobiálních palivových článcích, elektrosyntéze a biosnímání. Genetická flexibilita bakterie navíc znamená, že ji lze upravit dle konkrétní aplikace tak, aby se přizpůsobila konkrétnímu prostředí a surovinám, což z ní činí všestranný nástroj pro udržitelný technologický vývoj.