Các nhà nghiên cứu chế tạo pin đại dương sinh học thu nhỏ
bởi Zhang Nannan, Học viện Khoa học Trung Quốc
So sánh cấu trúc của hệ sinh thái vi sinh vật biển và pin đại dương sinh học thu nhỏ. Cả hai hệ thống đều có cấu trúc vật lý giống nhau (lớp cột nước và lớp trầm tích) và cấu trúc sinh thái giống nhau (người sản xuất sơ cấp, người phân hủy sơ cấp và người tiêu thụ cuối cùng). Các hệ sinh thái vi sinh vật biển rất lớn với độ sâu trung bình vượt quá 4000 m, trong khi pin đại dương sinh học thu nhỏ được nén chặt trong một tàu có độ sâu 5 cm, do đó tăng tốc dòng điện tử bằng cách rút ngắn khoảng cách truyền điện tử. Trong các hệ sinh thái vi sinh vật biển, đặc biệt là trong các trầm tích kỵ khí, các loài vi sinh vật đa dạng cao và tương tác phức tạp của chúng làm cho dòng điện tử phân tán đến các quá trình sinh hóa sinh học qua trung gian vi sinh vật khác nhau, tức là các chu trình nguyên tố. Ngược lại, pin đại dương sinh học thu nhỏ được chế tạo bằng cách sử dụng cộng đồng tổng hợp chỉ chứa bốn loài vi sinh vật được kết nối bởi các chất mang năng lượng cụ thể. Cấu trúc đơn giản này hướng các electron tới mục tiêu duy nhất, tức là dòng điện. Ảnh: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038 / s41467-022-33358-x
Các nhà nghiên cứu từ Viện Vi sinh vật của Học viện Khoa học Trung Quốc đã phát triển một loại pin đại dương sinh học thu nhỏ, một loại pin mặt trời sinh học có thể chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, bằng cách mô phỏng cấu trúc sinh thái cơ bản của hệ sinh thái vi sinh vật biển. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Các đại dương bao phủ khoảng 70% diện tích bề mặt Trái đất. Dưới góc độ năng lượng, hệ sinh thái biển là một hệ thống chuyển đổi sinh học năng lượng mặt trời khổng lồ, trong đó vi sinh vật chiếm ưu thế trong các quá trình chuyển đổi năng lượng.
Sự chuyển đổi năng lượng trong hệ sinh thái biển bắt đầu bằng quá trình quang hợp. Các vi sinh vật quang hợp, được gọi là các nhà sản xuất sơ cấp, nằm trong vùng hưng phấn của cột nước, hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển đổi các photon thành các điện tử được sử dụng để cố định carbon dioxide thành chất hữu cơ. Chất hữu cơ được tiêu thụ một phần bởi sinh vật phù du sống trong cột nước và một phần lắng xuống trầm tích biển, nơi các vi sinh vật kỵ khí hoặc kỵ khí hoàn toàn khoáng hóa chất hữu cơ phức tạp thành carbon dioxide thông qua quá trình oxy hóa liên tiếp.
Các vi sinh vật trong trầm tích biển có thể được chia thành hai nhóm. Một nhóm, được gọi là các chất phân huỷ sơ cấp, chịu trách nhiệm phân huỷ các chất hữu cơ phức tạp thành các hợp chất hữu cơ đơn giản; nhóm còn lại, được gọi là sinh vật tiêu thụ cuối cùng, chịu trách nhiệm cho quá trình oxy hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ đơn giản, giải phóng các electron cho quá trình khử sinh học của các nguyên tố như nitơ, sắt, mangan và lưu huỳnh. Thông qua quá trình quang hợp cố định cacbon và khoáng hóa chất hữu cơ, các hệ sinh thái vi sinh vật biển sử dụng năng lượng mặt trời để thúc đẩy các chu trình sinh địa hóa.
Nhìn từ không gian vũ trụ, hệ sinh thái vi sinh vật biển có chức năng chuyển đổi quang điện có thể được coi như một “đại dương-pin” khổng lồ được sạc bằng năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, sự phân bố theo không gian và thời gian của vi sinh vật trong các hệ sinh thái biển là rất lớn, sự truyền điện tử chậm và chậm nên hiệu suất chuyển đổi quang điện thấp. Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng có thể phát triển một loại pin đại dương nén theo không gian-thời gian với hiệu suất năng lượng được cải thiện đáng kể.
Để đạt được mục tiêu này, các nhà nghiên cứu đã trích xuất cấu trúc cơ bản của hệ sinh thái vi sinh vật biển. Họ đã thiết kế và xây dựng một cộng đồng vi sinh vật tổng hợp bao gồm sinh vật sản sinh chính (vi khuẩn lam), sinh vật phân giải sơ cấp (Escherichia coli) và sinh vật tiêu thụ cuối cùng (Shewanella oneidensis và Geobacter sulfurreducens) để chuyển đổi điện sinh học.
Trong cộng đồng vi sinh vật tổng hợp này, vi khuẩn lam được biến đổi gen có thể tổng hợp sucrose từ carbon dioxide bằng cách sử dụng năng lượng ánh sáng và lưu trữ năng lượng ánh sáng trong sucrose; E. coli được biến đổi gen chịu trách nhiệm phân hủy sucrose thành lactate; S. oneidensis và G. sulfurreducens oxy hóa hoàn toàn lactate thành carbon dioxide thông qua quá trình oxy hóa liên tiếp và chuyển các electron đến các điện cực ngoại bào để tạo ra dòng điện, do đó chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành điện năng.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng cộng đồng vi sinh vật bốn loài vượt trội đáng kể so với quần xã ba loài thiếu G. sulfurreducens và cộng đồng hai loài thiếu E. coli và G. sulfurreducens về sức đề kháng bên trong, mật độ công suất tối đa và tính ổn định, cho thấy rằng việc duy trì cấu trúc sinh thái hoàn chỉnh của hệ sinh thái vi sinh vật biển là điều cần thiết để đạt được hiệu quả chuyển đổi điện sinh học. Mật độ công suất tối đa của cộng đồng vi sinh bốn loài này đạt 1,7 W / m2, cao hơn một bậc so với hệ thống điện quang sinh học hai loài được các tác giả báo cáo trong nghiên cứu trước (Zhu và cộng sự, Nature Communications, 2019, 10 : 4282).
Các nhà nghiên cứu còn phát hiện ra rằng oxy do vi khuẩn lam tạo ra trong quá trình quang hợp cho phép hô hấp hiếu khí của E. coli và S. oneidensis, và oxy ức chế sự tạo điện của S. oneidensis và G. sulfurreducens kỵ khí nghiêm ngặt, do đó dẫn đến ảnh hưởng tiêu cực đến Tổng hiệu suất. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã chặn con đường hô hấp hiếu khí của E. coli và S. oneidensis. Họ đã phát triển một hydrogel dẫn điện với các đặc tính ngăn cản oxy. Hydrogel dẫn điện được sử dụng để bao bọc E. coli, S. oneidensis và G. sulfurreducens để tạo thành lớp trầm tích nhân tạo cách ly oxy có khả năng truyền điện tử.
Bằng cách lắp ráp lớp trầm tích nhân tạo có chứa chất phân hủy sơ cấp (E. coli) và sinh vật tiêu thụ cuối cùng (S. oneidensis và G. sulfurreducens) với lớp cột nước chứa sinh vật sản sinh chính (vi khuẩn lam), các nhà nghiên cứu cuối cùng đã lắp ráp một pin năng lượng mặt trời sinh học tích hợp trực tiếp chuyển đổi ánh sáng thành điện năng trong hơn một tháng.
Loại pin mặt trời sinh học này mô phỏng cấu trúc vật lý và cấu trúc sinh thái cơ bản của pin đại dương, với quy mô không gian-thời gian được nén chặt đáng kể và số lượng loài được giảm thiểu, và do đó có thể được coi là pin đại dương sinh học thu nhỏ.
Nghiên cứu này chứng minh rằng một quần xã vi sinh vật tổng hợp được thu nhỏ theo không gian và không gian - thời gian có thể tái tạo chức năng chuyển đổi quang điện của các hệ sinh thái vi sinh vật biển. Hiệu suất năng lượng của pin đại dương sinh học này cao hơn so với các hệ sinh thái biển vì khắc phục được mô hình truyền điện tử chậm chạp và giống như mạng lưới.
Sự phát triển của pin đại dương sinh học thu nhỏ cải thiện hiệu suất quang điện sinh học và cung cấp một lộ trình mới để phát triển các tế bào năng lượng mặt trời sinh học hiệu quả và ổn định. Nghiên cứu này cũng chứng minh tiềm năng công nghệ sinh học của sinh thái tổng hợp.
