Существуют бактерии, способные использовать электричество для производства, в частности, алкоголя. Ранее предпринимались попытки внедрения этого процесса в коммерческое производство. Однако биологические механизмы лежащие в его основе, оставались неизученными. Недавно немецкие ученые впервые смогли экспериментально доказать, что бактерии используют водород, образующийся при электролизе, для синтеза органических соединений.
В ходе микробного электросинтеза (МЭС) подвергаемые воздействию электричества микроорганизмы связывают углекислый газ, преобразуя его в различные вещества, такие как спирты и органические кислоты. Эта перспективная «зеленая» технология, позволяющая превращать атмосферный углекислый газ в топливо, известна более десяти лет. Но биологическая сторона вопроса оставалась неизвестной, что затрудняло коммерциализацию процесса.
Группа ученых из различных научных центров Германии совершила значительный прогресс в этой области. Им удалось не только установить механизм переноса электронов, получаемых бактериями от электрического тока, но и определить перечень органических соединений, образующихся в результате этого процесса, а также улучшить его для достижения максимальной эффективности. Результаты исследования опубликованы в журнале Green Chemistry.
Во время электрохимического синтеза (МЭС) электричество и углекислый газ поступают в питательный раствор, содержащий бактерии. Ранее считалось, что для фиксации газа микроорганизмы непосредственно захватывают электроны. Однако, при подаче электричества в водный раствор, происходит еще один процесс — электролиз, разложение молекул воды с образованием водорода и кислорода.
Для изучения влияния водорода на электросинтез, исследователи сконфигурировали лабораторные биореакторы, обеспечив учет всех параметров раствора в ходе электрохимического синтеза. Это дало возможность установить, что увеличение доступности водорода для бактерий Clostridium ljungdahlii, чем больше бактерий присутствовало в смеси, тем выше была их способность к синтезу веществ за единицу времени. Однако, при недостатке водорода в смеси – например, если сила тока была недостаточной для электролиза воды – бактерии значительно уменьшали скорость электросинтеза.
Оптимизация напряжения и концентрации бактерий в растворе позволила ученым повысить выход ценного продукта электросинтеза — ацетата, а также обнаружить в растворе аминосоединения, ранее недоступной для получения с помощью метода МЭС. Речь идет об аминокислоте глицине и первичном спирте этаноламине, полученные с помощью этих бактерий полимеры оказались более ценными, чем этанол или ацетат, которые производились ранее. Широкое применение аминосоединений в химической промышленности делает это открытие перспективным для обеспечения коммерческой жизнеспособности технологии многоступенчатого метаболизма.