Trong một bước đột phá cho lĩnh vực điện tử sinh học, các nhà nghiên cứu tại EPFL đã nâng cao khả năng tạo ra điện của vi khuẩn E. coli. Cách tiếp cận sáng tạo này mang đến một giải pháp bền vững cho việc xử lý chất thải hữu cơ đồng thời vượt trội so với các công nghệ tiên tiến trước đây, mở ra những chân trời mới cho sản xuất điện vi sinh linh hoạt.
Bình chứa vi khuẩn E. coli sản xuất điện. Tín dụng: Jamani Caillet (EPFL)
Giáo sư Ardemis Boghossian tại EPFL cho biết: “Chúng tôi đã chế tạo vi khuẩn E. coli, loại vi khuẩn được nghiên cứu rộng rãi nhất, để tạo ra điện”. "Mặc dù có những vi khuẩn ngoại lai tạo ra điện một cách tự nhiên nhưng chúng chỉ có thể làm như vậy khi có sự hiện diện của các hóa chất cụ thể. E. coli có thể phát triển trên nhiều nguồn khác nhau, điều này cho phép chúng ta sản xuất điện ở nhiều môi trường khác nhau, bao gồm cả từ môi trường." nước thải."
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Joule , nhóm của Boghossian đã báo cáo một thành tựu đột phá về điện tử sinh học, nâng cao khả năng tạo ra điện của vi khuẩn E. coli thông thường. Công trình này phác thảo một cách tiếp cận mới có thể cách mạng hóa cả quản lý chất thải và sản xuất năng lượng.
Vi khuẩn E. coli, một thành phần chủ yếu của nghiên cứu sinh học, đã được khai thác để tạo ra điện thông qua một quá trình được gọi là chuyển điện tử ngoại bào (EET). Các nhà nghiên cứu EPFL đã thiết kế vi khuẩn E. coli để thể hiện EET nâng cao, khiến chúng trở thành "vi khuẩn điện" hiệu quả cao. Không giống như các phương pháp trước đây yêu cầu các hóa chất cụ thể để phát điện, vi khuẩn E. coli được biến đổi sinh học có thể tạo ra điện trong khi chuyển hóa nhiều loại chất nền hữu cơ.
Một trong những đổi mới quan trọng của nghiên cứu là việc tạo ra một con đường EET hoàn chỉnh trong E. coli, một kỳ tích chưa từng đạt được trước đây. Bằng cách tích hợp các thành phần từ Shewanella oneidensis MR-1, một loại vi khuẩn nổi tiếng với khả năng tạo ra điện, các nhà nghiên cứu đã xây dựng thành công một con đường tối ưu hóa kéo dài qua màng bên trong và bên ngoài của tế bào. Con đường mới này đã vượt qua các phương pháp tiếp cận từng phần trước đó và dẫn đến việc sản xuất dòng điện tăng gấp ba lần so với các chiến lược thông thường.
Nước thải là sân chơi
Điều quan trọng là E. coli được thiết kế có hiệu suất vượt trội trong nhiều môi trường khác nhau, bao gồm cả nước thải được thu thập từ nhà máy bia. Trong khi các vi khuẩn điện ngoại lai suy yếu thì vi khuẩn E. coli biến đổi gen lại phát triển mạnh, cho thấy tiềm năng của nó trong việc xử lý chất thải và sản xuất năng lượng trên quy mô lớn.
Boghossian cho biết: “Thay vì đưa năng lượng vào hệ thống để xử lý chất thải hữu cơ, chúng tôi đang sản xuất điện đồng thời xử lý chất thải hữu cơ – một mũi tên trúng hai con chim”. "Chúng tôi thậm chí còn thử nghiệm công nghệ của mình trực tiếp trên nước thải mà chúng tôi thu thập từ Les Brasseurs, một nhà máy bia địa phương ở Lausanne. Các vi khuẩn điện ngoại lai thậm chí không thể tồn tại, trong khi vi khuẩn điện được biến đổi sinh học của chúng tôi có thể phát triển theo cấp số nhân bằng cách ăn chất thải này. "
Ý nghĩa của nghiên cứu còn mở rộng ra ngoài việc xử lý chất thải. Có thể tạo ra điện từ nhiều nguồn khác nhau, vi khuẩn E. coli được thiết kế có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu vi sinh vật, quá trình điện tổng hợp và cảm biến sinh học—để kể tên một số ứng dụng. Ngoài ra, tính linh hoạt di truyền của vi khuẩn có nghĩa là nó có thể được điều chỉnh để thích ứng với môi trường và nguyên liệu cụ thể, khiến nó trở thành một công cụ linh hoạt để phát triển công nghệ bền vững.
Mouhib, tác giả chính của bản thảo cho biết: “Công việc của chúng tôi khá kịp thời, vì các vi khuẩn điện sinh học được thiết kế đang vượt qua các ranh giới trong ngày càng nhiều ứng dụng trong thế giới thực”. "Chúng tôi đã lập kỷ lục mới so với công nghệ tiên tiến nhất trước đây chỉ dựa vào con đường một phần và so với vi khuẩn được sử dụng trong một trong những bài báo lớn nhất được xuất bản gần đây trong lĩnh vực này. Với tất cả các những nỗ lực nghiên cứu hiện tại trong lĩnh vực này, chúng tôi rất vui mừng về tương lai của vi khuẩn điện sinh học và nóng lòng chờ đợi chúng tôi và những người khác đưa công nghệ này lên quy mô mới.”
