Выживая в экстремальных условиях, адаптируясь к стрессовым условиям или изменяя ландшафт нашей планеты, микроорганизмы совершают удивительные подвиги.
Разнообразие метаболических процессов позволяет микробам использовать широкий спектр химических веществ в качестве источников энергии. Некоторые бактерии даже обладают удивительной способностью вырабатывать электричество. Эти бактерии называют по-разному: электрогены, экзоэлектрогены, электроактивные бактерии или анодно-восприимчивые бактерии. Механизмы, лежащие в основе этой уникальной способности, коренятся в электрохимии, которая включает перенос электронов от одной молекулы к другой и лежит в основе дыхания всех живых организмов. Уникальность электрогенных бактерий заключается в том, что они обладают специальным окислительно-восстановительным механизмом, который может выходить за пределы клетки и переносить электроны на твердые проводящие поверхности, такие как электроды, и генерировать ток.
Биоэлектрохимические системы используют электроактивные свойства микроорганизмов для получения электричества из органических веществ. Эти системы функционируют аналогично батареям, но для получения тока используются микробы. Ранние разработки в области этой технологии в основном были направлены на использование микробных топливных элементов в качестве реакторов для очистки сточных вод, поскольку микробы могут использовать органические вещества, присутствующие в сточных водах, для выработки электроэнергии. Однако по мере того, как постепенно раскрывался широкий спектр электроактивных микробов, фундаментальные исследования природы электроактивности набирали обороты.
Микробные топливные элементы, микробные трехэлектродные элементы, микробные электролизные элементы, микробные электросинтетические элементы и микробные солнечные элементы - вот несколько примеров различных типов микробных электрохимических элементов, используемых сегодня. Эти устройства, обычно сокращенно называемые MXCs, где X обозначает функциональность реактора, быстро продвинулись вперед для различных экологических, технологических и медицинских применений.
Очистка отходов и восстановление ресурсов
Интеграция микробных топливных элементов с установками по очистке сточных вод привела к регенерации энергии и улучшению процесса очистки сточных вод. Экспериментальная установка в Индии, включающая биоэлектрохимический реактор, была использована для разработки самодостаточного электрического туалета, в котором отходы жизнедеятельности человека использовались для питания электрической лампочки. Аналогичный проект в Англии интегрировал керамические микробные топливные элементы с электронными интерфейсами в туалеты для питания электронного смесителя. Такие проекты эффективно перерабатывают отходы, предлагают устойчивую систему получения энергии из отходов и улучшают гигиену и эффективность общественных туалетов.
Также признан потенциал биоэлектрохимических систем для улавливания углерода из окружающей среды. Микробный электросинтез, который предполагает поглощение электронов микробами для восстановления углекислого газа до полезных химических веществ, уже привлек значительный интерес и финансирование исследований. Использование электроактивных бактерий на биорефинерах (аналог нефтеперерабатывающих заводов) рассматривается как важная технология, позволяющая получать энергию, химические вещества и воду из биомассы и сточных вод.
Микробные топливные элементы также используются для очистки ксенобиотиков, органических загрязнителей и восстановления тяжелых металлов. В отдаленных регионах биоэлектрохимические системы могут быть развернуты в качестве эффективных биосенсоров для обнаружения присутствия токсичных веществ, таких как тяжелые металлы и пестициды. Электроактивная биопленка выступает в качестве чувствительного элемента, генерируемый ток представляет собой сигнал, а сам электрод функционирует как преобразователь. Такие датчики могут обеспечить неинвазивный, быстрый и эффективный метод дальнейшего мониторинга качества воды.
Медицинская значимость
Хотя это и не очевидно непосредственно, электромикробиология может иметь существенное значение и для медицины. Обнаружение электроактивности у грамположительного условно-патогенного микроорганизма Enterococcus faecalis в условиях, богатых железом, повышает вероятность патогенности, связанной с переносом электронов. Некоторые другие патогены, демонстрирующие электроактивность, включают Listeria monocytogenes, Corynebacterium matruchotii и Streptococcus mutans. Более глубокое понимание электроактивности этих патогенов потенциально может привести к разработке новых лекарственных мишеней для лечения инфекций. Считается, что некоторые кишечные бактерии также обладают электроактивностью, и дальнейшие исследования могут прояснить роль электроактивности в поддержании здорового микробиома кишечника. Кроме того, абиотические электрохимические топливные элементы, питающиеся автономно от жидкостей организма, могут быть использованы в качестве носимых датчиков, которые имеют небольшие размеры, просты в обращении и могут предоставлять данные о заболеваниях в режиме реального времени, что приведет к эффективному лечению хронических заболеваний.
Новые технологии на основе электромикробиологии
Группа исследователей смогла генерировать электричество из воздуха, что может показаться научной фантастикой! Исследователи выделили нанопроводниковые пленки из Geobacter sulfurrreducens и поместили их между электродами для создания устройства под названием "Air-gen". Это устройство адсорбирует воду из окружающей атмосферы, а сочетание электропроводности и химии поверхности нанопроводников (нитевидных образований, способных облегчить внеклеточный перенос электронов на большие расстояния) создает электрический ток между электродами. Air-gen - это экономически эффективный и возобновляемый способ выработки электроэнергии из влажности окружающей среды, не требующий ничего, кроме воздуха. Он может функционировать на открытом воздухе или в помещении, в темноте или на свету, и требует минимального обслуживания, что открывает возможности для устойчивого, непрерывного и возобновляемого производства электроэнергии. В развивающихся странах такие технологии могут быть особенно полезны, поскольку они представляют собой доступный способ производства электроэнергии в автономном режиме.
Исследования также показали, что биодевайс, изготовленный с использованием белковых нанопроводников G. sulfurreducens, способен облегчать связь между электронными и биологическими интерфейсами, что открывает интересные возможности для "е-биологии", или электронных материалов, изготовленных с использованием микробных компонентов. Электронная биология может не только улучшить характеристики электронных устройств, но и предложить устойчивый способ разработки продуктов, снижающих потребление дорогостоящего сырья. Кроме того, эти устройства являются биоразлагаемыми, поэтому проблема утилизации отходов обычных электронных устройств отпадает. Технологические достижения уже позволили наладить крупномасштабное производство нанопроводников в клетках E. coli, с помощью генной инженерии. В недалеком будущем функциональная биоэлектроника с использованием проводящих белковых нитей из электроактивных бактерий может произвести революцию в "зеленой электронике".
Электромикробиология
Для того чтобы использовать уникальную способность микробов создавать электричество, необходимо глубокое понимание механизмов, с помощью которых они это делают. Два наиболее хорошо изученных электрогена включают Shewanella oneidensis и G. sulfurreducens. Внеклеточный перенос электронов у этих бактерий (и других электрогенов) может осуществляться либо путем прямого переноса электронов, когда микроб непосредственно сокращает терминальный акцептор электронов, либо путем опосредованного переноса электронов, который включает использование растворимых окислительно-восстановительных челноков.
Прямой перенос электронов в основном зависит от цитохромов, которые присутствуют на внешней мембране, для установления контакта с терминальным акцептором электронов и облегчения их последующего переноса. В некоторых бактериях прямой перенос электронов может также осуществляться через нанопроводники, которые способны устанавливать прямой контакт с терминальным акцептором электронов. Считается, что нанопроводники по своей природе являются электропроводящими, что позволяет осуществлять внеклеточный перенос электронов. Однако существуют и противоположные мнения, согласно которым они играют скорее секреторную, чем проводящую роль. Дебаты вокруг структуры и функции нанопроводников до конца не закончены и, как уже упоминалось выше, в настоящее время являются захватывающей областью исследований в электромикробиологии.
Опосредованный перенос электронов зависит от растворимых переносчиков электронов, таких как флавины, феназины и хиноны. Эти медиаторы часто являются окислительно-восстановительными молекулами, синтезируются эндогенно и секретируются бактериями для содействия внеклеточному переносу электронов. Они принимают электроны от микроба, а затем передают их на электрод, после чего могут инициировать новый раунд переноса электронов. Бактерии, подобные Shewanella, могут использовать как прямой, так и опосредованный перенос электронов.
В последние годы открытие механизмов переноса электронов у кабельных бактерий добавило новое измерение в электромикробиологию. Кабельные бактерии - это многоклеточные нитчатые бактерии, принадлежащие к группе Deltaproteobacteria. Примечательным аспектом этих бактерий является разделение метаболического труда между различными клетками, составляющими кабель. Одни клетки окисляют доноры электронов, а другие восстанавливают акцепторы электронов. Межклеточная коммуникация между различными клетками происходит посредством электрических сигналов. Эти бактерии часто встречаются в аноксических отложениях и могут переносить электроны на расстояния до сантиметра, используя градиенты окислительно-восстановительного потенциала по длине своих нитей. Помимо вклада в фундаментальное понимание молекулярных механизмов электромикробиологии, кабельные бактерии могут иметь потенциально полезное применение, включая минимизацию выбросов метана в природных средах.
Электромикробиология - это междисциплинарная область, объединяющая электрохимию, микробиологию, биохимию и инженерию, что открывает интересные возможности для применения в реальном мире. Заглядывая в будущее, можно сказать, что в этой области есть много возможностей для исследований и разработок.
