Evsel atık sularda ve endüstriyel atık sularda bulunan organik bileşikler, zengin bir potansiyel enerji kaynağıdır; biyoplastikler ve hatta hayvan yemi proteinleri içerirler. Fakat verimli ekstraksiyon yöntemiyle arıtma tesisleri onları kirleticiler olarak atıyor. Artık araştırmacılar çevre dostu ve uygun maliyetli bir çözüm bulmuşlardır.
Energy Research’teki Frontiers dergilerinde yayınlanmış olan çalışma, enerjiyi ışıktan depolayan mor fototrofik bakterileri gösteren ilk çalışmadır. Bu bakteriler, bir elektrik akımı sağlandığında, elektrik üretimi için hidrojen gazı üretirken, herhangi bir organik atıktan %100’e kadar karbonu geri kazanabilir.
Kral Juan Carlos Üniversitesi’nden Daniel Puyol: “Mevcut atık su arıtma tesislerinin en önemli sorunlarından biri yüksek karbon emisyonudur. Işığa dayalı biorefinery prosesimiz, atık sudan yeşil enerjinin sıfır karbon ayak izi ile toplanması için bir araç sağlayabilir” dedi.
Mor Fotosentetik Bakteri
Fotosentez söz konusu olduğunda, yeşil renk burada baskın çıkıyor. Ama klorofil sonbaharda yapraklardan çekildikçe, geride sarı, turuncu ve kırmızı renkleri bırakır. Aslında, fotosentetik pigmentler her çeşit renkte ve her çeşit organizmada bulunur. Bunlardan biri de mor fototrofik bakterilerdir. Güneş ışığından gelen enerjiyi, turuncu, kırmızı ya da kahverenginin tonlarını mor renge çeviren çeşitli pigmentler kullanarak, yakalarlar. Ama onları bilim insanları için ilginç kılan, renkleri değil metabolizmalarının çok yönlü oluşudur.
Puyol: “Mor fototrofık bakteriler, metabolizmalarının çok yönlü oluşu sayesinde organik atıklardan kaynak geri kazanımı için ideal bir araç oluşturuyor.”
Bakteriler, fotosentez için CO2 ve H2O yerine organik moleküller ve azot gazı kullanarak; karbon, elektron ve azot sağlayabilirler. Bu, alternatif fototrofik bakterilerden ve alglerden daha hızlı büyüdükleri ve metabolik yan ürün olarak hidrojen gazı, proteinler veya bir tür biyobozunur polyester üretebildikleri anlamına gelir .
Metabolik Çıkışı Elektrikle Ayarlama
Hangi metabolik ürünün baskın olduğu, bakterinin çevresel koşullarına bağlıdır örneğin; ışık yoğunluğu, sıcaklık, mevcut organik ve besin türleri gibi…
İspanya’daki Alcalá Üniversitesi Profesör Abraham Esteve Núñez: “Grubumuz, organik atık kaynağı ve piyasa gereksinimlerine bağlı olarak mor bakterilerin metabolizmasını farklı uygulamalara ayarlamak için bu koşulları manipüle eder. Ama bizim yaklaşımımızda benzersiz olan nokta, mor bakterilerin üretken çıktısını optimize etmek için harici bir elektrik akımının kullanılmasıdır.”
Bir “biyoelektrokimyasal sistem” olarak bilinen bu kavram, mor bakterilerdeki farklı metabolik yolların ortak bir değerine bağlı olarak çalışır: Elektronlar… Örneğin, ışık enerjisini yakalamak için bir elektron kaynağı gereklidir, azotu amonyağa dönüştürülürken fazla elektronlar açığa çıkarılır ve dağıtılması gerekir. Bakterideki elektron akışını optimize ederek, bir aküde olduğu gibi pozitif ve negatif elektrotlar aracılığıyla sağlanan bir elektrik akımı bu süreçleri sınırlandırabilir ve sentez oranını en üst düzeye çıkarabilir.
Maksimum Biyoyakıt, Minimum Karbon Ayak İzi
En son çalışmalarında ekip, mor fototrofik bakteri türlerinin bir karışımı ile hidrojen üretimini maksimize etmek için optimum koşulları analiz etti. Ayrıca negatif bir akımın (büyüme ortamında metal elektrotlar tarafından sağlanan elektronlar) bakterilerin metabolik davranışları üzerindeki etkisini de test ettiler. İlk temel bulguları, en yüksek hidrojen üretim oranını besleyen besin karışımının da CO2 üretimini en aza indirgemesiydi.
Esteve-Núñez: “Bu, mor bakterilerin, tipik olarak atıksu-malik asit ve sodyum glutamat-düşük karbon ayak izi ile birlikte bulunan organik maddelerden elde edilen değerli biyoyakıtları geri kazanmak için kullanılabileceğini göstermektedir. Biyokimyasal sistemimizdeki kayıtlar mor bakteriler ve elektrotlar arasında net bir etkileşim gösterdi: Elektrotun negatif polarizasyonu, karbondioksit üretimindeki azalmayla bağlantılı olarak saptanabilir elektron tüketimine neden olmuştur. Bu, mor bakterilerin, fotosentez yoluyla organik bileşiklerden daha fazla karbon almak için katottan elektron kullandığını, böylece daha az CO2’in serbest kaldığını gösterir.”
Elektrotlar kullanılarak ilk kez mor bakterilerin fotosentez yoluyla CO2’yi yakalamak için negatif bir elektrot veya “katot” dan elektronları kullanabileceğini göstermişlerdir.
Hidrojen Üretimi İçin Biyoelektrokimyasal Sistemlere Doğru
Yazarlara göre bu, biyoelektrokimyasal sistemde mor bakterilerin karma kültürlerinin ilk kez kullanıldığı ve bir katot ile etkileşime bağlı olarak herhangi bir fototrofun metabolizmasının değişmesinin ilk kanıtıdır.
Mor bakteriler tarafından üretilen aşırı CO2’nin yakalanması sadece karbon emisyonlarının azaltılması için değil, aynı zamanda yakıt olarak kullanılmak üzere organik atıklardan biyogazın rafine edilmesinde de yararlı olabilir.
Puyol, ekibin gerçek hedefinin daha ileride olduğunu ifade ediyor: “Çalışmanın asıl amaçlarından biri, katottan mor bakterilerin metabolizmasına elektronları bağışlayarak biyohidrojen üretimini arttırmaktı. Ancak, PPB bakterilerinin H2 oluşturmak yerine CO2’yi sabitlemek için bu elektronları kullanmayı tercih ettiği görülmektedir. Yakın zamanda bu araştırmayı sürdürmek için finansman sağladık ve sonraki yıllarda bunun üzerinde çalışacağız. Daha fazla metabolik ayarlama için bizi izlemeye devam edin.”
