Начало XXI века ознаменовалось рядом важнейших открытий в области микробиологии, однако большая их часть осталась незамеченной широкой публикой. Зато развитие этих научных работ позволяет не только лучше понимать протекающие во всей экосистеме Земли биохимические превращения, но и разрабатывать перспективные технологии. Например, метод прямого получения электричества из метана с помощью микроорганизмов.
Сканирующая электронная микроскопия метанотрофных архей, собранных с микробных матов Черного моря: слева — сферическое образование из архей группы ANME-2 («родственники» Candidatus Methanoperedens) и питающихся сульфидами бактерий; справа — цилиндрические клетки архей группы ANME-1 / ©DOI: https://doi.org/10.1128/AEM.71.1.467-479.2005
Если очень сильно упрощать (и да простят нас химики с биологами и физиками), то все преобразования веществ внутри живых организмов можно назвать чередой обменов электронами между разными атомами, соединениями, ионами. А поскольку электрический ток — направленное движение носителей заряда (как правило, электронов), то два этих «мира» логично попробовать связать. Иными словами, буквально встроить электрическую цепь в пищевую цепочку, допустим, микроорганизмов. Главное — найти такие биохимические процессы, которые не слишком сильно потеряют в эффективности, когда из них начнется утечка части электронов.
Пару лет назад команда из Университета Неймегена (Radboud University Nijmegen) в Нидерландах показала экспериментально, как из сточных вод можно напрямую получить энергию. Ученые использовали бактерии, которым свойственен анаммокс — анаэробное (без внешнего притока кислорода) окисление аммония в присутствии нитритов. Как выяснилось в результате эксперимента, плавно снижая поступление нитрита в питательную среду, можно «собрать» часть высвобождаемых микроорганизмами электронов.
В теории этот процесс можно адаптировать для генерации дополнительной электроэнергии установками по очистке сточных вод. Такие бактерии уже применяются для удаления аммония из отходов сельского хозяйства или канализации. К слову, сам по себе анаммокс как раз входит в число революционных открытий последних десятилетий. До момента его описания в 1999 году на примере недавно обнаруженных бактерий происхождение значительной части молекулярного азота в атмосфере Земли было не до конца известно. Сейчас исследователи пошли еще дальше и проверили, сколько энергии получится из микроорганизмов, которые «питаются» метаном.
Нидерландские ученые выбрали культуру с преобладанием Candidatus Methanoperedens nitroreducens — это археи, открытые в 2006 году и способные анаэробно окислять метан (AOM) при помощи нитрата. Слово «candidatus» в названии вида микроорганизмов означает, что их чистую культуру до сих пор выделить не удалось. Тем не менее это не стало ограничением для экспериментов — в них просто использовали биомассу с преобладающим содержанием нужных архей.
Основной целью исследователей был поиск подтверждений предполагаемому механизму, связанному с AOM, — межклеточному переносу электронов (EET). Благодаря нему микроорганизмы в сложных экосистемах делятся зарядом, который им необходим для метаболизма. Подобные Methanoperedens археи, например, «подкармливают» электронами соседей, вырабатывающих метан.
Схема экспериментальной установки (биоэлектрохимической системы): A — катод из нержавеющей стали; B — анод из углеродного волокна; C — подвод газов (метана с углекислым газом или азота); D — референсный электрод без биомассы на нем; E — ионообменная мембрана; F — потенциостат (прибор для мониторинга электрических показателей системы); G — платиновый проводник, H — магнитная мешалка / © https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.820989
Прелесть подходящего эксперимента заключалась в том, что он позволял проверить не только характеристики EET, но и вообще способность архей эффективно работать в качестве элемента батарей. Установка представляла собой две емкости, разделенные мембраной из нафиона (фторопласт на основе сульфированного тетрафторэтилена). Анодную камеру заполнили буферным раствором, а вот катодная содержала культурную среду с витаминами и нужными микроорганизмам элементами. Затем обе емкости лишили кислорода, пропустив через них большое количество газообразного азота.
После заселения культуры микроорганизмов на катод ученые провели серию из трех экспериментов средней продолжительностью в 8 дней. В первом метан подавался непрерывно 18 часов, а затем его перекрыли, предварительно создав избыточное давление в емкости «помеченным» CH4 (самый распространенный углерод-12 в нем заменили куда более редким изотопом — углеродом-13). Так оценивали поглощение метана биомассой и эффективность его переработки.
Во втором эксперименте после перекрытия подачи метана для поддержания повышенного давления в емкости его заменили аргоном. Это позволило проверить, какая часть возникающего тока обусловлена метанотрофной активностью микроорганизмов. В третьем эксперименте, чтобы оценить дополнительные электрические свойства изучаемого биохимического процесса, изменяли разность потенциалов между катодом и анодом.
Также ученые заселили три отдельные емкости той же биомассой и заполнили такой же культурной средой. Однако в качестве акцептора электронов оставили нитрат (в данном случае — натрия), а электроды не вводили. Благодаря такому образцу продуктивность Methanoperedens в роли катода батареи сравнивалась с естественными условиями обитания (выяснилось, что без нитрата процесс идет втрое медленнее).
Результаты оказались многообещающими. В среднем биомасса «отдала» в цепь 17% высвобожденных во время метаболизма электронов и переработала около трети поступившего в систему метана. Не менее 38% вырабатываемого напряжения напрямую связано с притоком метана. Говоря о первичной цели эксперимента: удалось продемонстрировать электрическую активность Methanoperedens. А также использование этими археями межклеточного переноса электронов.
Кроме того, исследователи обнаружили ряд белков, важных для окисления метана, которые могут быть полезны в дальнейших изысканиях. Главное достижение нидерландских ученых заключается в создании биоэлектрохимической системы, позволяющей изучать EET в контролируемых условиях.
Потенциал для дальнейшей исследовательской работы с подобными организмами большой. Можно подробнее присмотреться к микробным сообществам, в которых доминируют метанотрофные археи. Так, все еще до конца не ясно, происходит ли анаэробное окисление метана в одном виде микроорганизмов или процесс разделен между несколькими.
С практической точки зрения этот эксперимент — любопытный первый шаг на пути к прямому преобразованию метана в электричество. Существующие способы безальтернативно включают двигатели внутреннего или внешнего сгорания, эффективность которых в самых лучших случаях не превышает 70% без учета потерь на транспортировку энергии (чаще — 25-35%). А для устойчивых хозяйств, которые вырабатывают биогаз из отходов сельского хозяйства, «микробные батареи» могут стать вовсе отличным решением.
Установки для производства биогаза набирают все большую популярность — от крупных заводов в Европе до небольших емкостей на одно семейное хозяйство в Индии. К 2030 году суммарная выработка только в Старом Свете оценивается в 35 миллионов кубометров, двухкратный рост по сравнению с 2015-м. Иными словами, рынок растет и требует инноваций / ©Agro&Chemistry
К тому же побочный продукт анаэробного окисления метана — только углекислый газ и вода. Никакой сажи, обеспечивающей наибольший вред от выбросов энергетической отрасли, не выделяется. Наконец, метан — более сильный и опасный парниковый газ, чем CO2, поэтому его эффективное и полезное улавливание сейчас как никогда актуально.
