Il confronto strutturale degli ecosistemi microbici marini e la batteria oceanica bionica miniaturizzata. Entrambi i sistemi possiedono la stessa struttura fisica (strato di colonna d'acqua e strato di sedimento) e la stessa struttura ecologica (produttori primari, degradatori primari e consumatori finali). Gli ecosistemi microbici marini sono enormi con una profondità media superiore a 4000 m, mentre la batteria oceanica bionica miniaturizzata è stata compattata in una nave con una profondità di 5 cm, accelerando così il flusso di elettroni accorciando la distanza di trasferimento degli elettroni. Negli ecosistemi microbici marini, in particolare nei sedimenti anaerobici, le specie microbiche altamente diversificate e le loro complesse interazioni rendono il flusso di elettroni disperso in vari processi biogeochimici mediati da microbi, cioè cicli elementari. Al contrario, la batteria oceanica bionica miniaturizzata prodotta utilizzando la comunità sintetica contiene solo quattro specie microbiche collegate da specifici vettori energetici. Questa struttura semplificata dirige gli elettroni in modo mirato verso l'unico bersaglio, cioè la corrente elettrica. Credito:Comunicazioni sulla natura (2022). DOI:10.1038/s41467-022-33358-x
I ricercatori dell'Istituto di microbiologia dell'Accademia cinese delle scienze hanno sviluppato una batteria oceanica bionica miniaturizzata, una cellula bio-solare che converte la luce in elettricità, imitando la struttura ecologica di base degli ecosistemi microbici marini. Questo studio è stato pubblicato su Nature Communications .
Gli oceani coprono circa il 70% della superficie terrestre. Dal punto di vista energetico, gli ecosistemi marini sono un enorme sistema di bioconversione dell'energia solare in cui i microrganismi dominano i processi di conversione dell'energia.
La conversione di energia negli ecosistemi marini inizia con la fotosintesi. I microrganismi fotosintetici, chiamati produttori primari, situati nella zona eufotica della colonna d'acqua, assorbono l'energia solare e convertono i fotoni in elettroni che vengono utilizzati per fissare l'anidride carbonica nella materia organica. La materia organica viene in parte consumata dal plancton che vive nella colonna d'acqua e in parte depositata nei sedimenti marini dove microrganismi anaerobici facoltativi o strettamente anaerobici mineralizzano la complessa materia organica ad anidride carbonica attraverso successiva ossidazione.
I microrganismi nei sedimenti marini possono essere ulteriormente suddivisi in due gruppi. Un gruppo, chiamato degradatori primari, è responsabile della degradazione della materia organica complessa in composti organici semplici; l'altro gruppo, detto consumatore finale, è responsabile della completa ossidazione dei composti organici semplici, liberando elettroni per la riduzione biologica di elementi come azoto, ferro, manganese e zolfo. Attraverso la fissazione fotosintetica del carbonio e la mineralizzazione della materia organica, gli ecosistemi microbici marini utilizzano l'energia solare per guidare i cicli biogeochimici.
Visti dallo spazio esterno, gli ecosistemi microbici marini con funzione di conversione fotoelettrica possono essere considerati come un'enorme "batteria oceanica" caricata dall'energia solare. Tuttavia, la distribuzione spaziale e temporale dei microrganismi negli ecosistemi marini è enorme e il trasferimento di elettroni è lento e lento, quindi l'efficienza della conversione fotoelettrica è bassa. I ricercatori hanno proposto che sia possibile sviluppare una batteria oceanica compattata spazio-temporalmente con un'efficienza energetica significativamente migliorata.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno estratto la struttura di base degli ecosistemi microbici marini. Hanno progettato e costruito una comunità microbica sintetica composta da produttore primario (cianobatteri), degradatore primario (Escherichia coli) e consumatori finali (Shewanella oneidensis e Geobacter sulfurreducens) per la conversione biofotoelettrica.
In questa comunità microbica sintetica, i cianobatteri ingegnerizzati sono in grado di sintetizzare il saccarosio dall'anidride carbonica utilizzando l'energia luminosa e immagazzinare l'energia luminosa nel saccarosio; l'E. coli ingegnerizzato è responsabile della degradazione del saccarosio in lattato; S. oneidensis e G. sulfurreducens ossidano completamente il lattato in anidride carbonica attraverso l'ossidazione successiva e trasferiscono elettroni agli elettrodi extracellulari per generare corrente elettrica, convertendo così l'energia luminosa in elettricità.
I ricercatori hanno dimostrato che la comunità microbica di quattro specie ha sovraperformato significativamente la comunità di tre specie priva di G. sulfurreducens e la comunità di due specie priva di E. coli e G. sulfurreducens in termini di resistenza interna, densità di potenza massima e stabilità, indicando che il mantenimento la struttura ecologica completa degli ecosistemi microbici marini è essenziale per ottenere un'efficiente conversione biofotoelettrica. La densità di potenza massima di questa comunità microbica di quattro specie ha raggiunto 1,7 W/m 2 , che è un ordine di grandezza superiore a quello del sistema biofotovoltaico a due specie riportato dagli autori in lavori precedenti (Zhu et al, Nature Communications , 2019, 10:4282).
I ricercatori hanno inoltre scoperto che l'ossigeno prodotto dai cianobatteri durante la fotosintesi consentiva la respirazione aerobica di E. coli e S. oneidensis e l'ossigeno inibiva la generazione di elettricità da parte di S. oneidensis e del G. sulfurreducens, rigorosamente anaerobico, determinando così un effetto negativo sul prestazioni complessive. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno bloccato la via della respirazione aerobica di E. coli e S. oneidensis. Hanno sviluppato un idrogel conduttivo con proprietà barriera all'ossigeno. L'idrogel conduttivo è stato utilizzato per incapsulare E. coli, S. oneidensis e G. sulfurreducens per formare uno strato di sedimento artificiale isolante l'ossigeno in grado di trasferire elettroni.
Assemblando lo strato di sedimento artificiale contenente il degradatore primario (E. coli) e i consumatori finali (S. oneidensis e G. sulfurreducens) con uno strato di colonna d'acqua contenente il produttore primario (cianobatteri), i ricercatori hanno infine assemblato una cellula bio-solare integrata che direttamente converte la luce in elettricità per oltre un mese.
Questa cellula bio-solare imita la struttura fisica di base e la struttura ecologica della batteria oceanica, con la scala spazio-temporale notevolmente compattata e il numero di specie ridotto al minimo, e può quindi essere considerata una batteria oceanica bionica miniaturizzata.
Questo studio dimostra che una comunità microbica sintetica ridotta al minimo e spazialmente compattata nello spazio temporale può riprodurre la funzione di conversione fotoelettrica degli ecosistemi microbici marini. L'efficienza energetica di questa batteria oceanica bionica è superiore a quella degli ecosistemi marini a causa del superamento del modello di trasferimento di elettroni lento e simile a una rete.
Lo sviluppo della batteria oceanica bionica miniaturizzata migliora l'efficienza biofotovoltaica e fornisce un nuovo percorso per lo sviluppo di celle bio-solari efficienti e stabili. Questo studio dimostra anche il potenziale biotecnologico dell'ecologia sintetica. + Esplora ulteriormente
