Krok w stronę biodegradowalnej elektroniki
Włóknisty, wielokomórkowy organizm występujący w osadach słodkowodnych i morskich jest zdolny do przenoszenia elektronów na odległości liczone w centymetrach. Bakterie tworzące przewody elektryczne(odnośnik otworzy się w nowym oknie) mogą ułatwiać transport elektronów poprzez utlenianie siarczków w głębokich osadach i transportowanie elektronów w celu redukcji tlenu na powierzchni. Organizmy te występują licznie: w obrębie 15 cm górnej warstwy osadu stwierdzono(odnośnik otworzy się w nowym oknie) zagęszczenie tych bakterii o łącznej długości do 2 km na centymetr kwadratowy powierzchni. Kartik Aiyer(odnośnik otworzy się w nowym oknie), stypendystka działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pracująca w Centrum Elektromikrobiologii na Uniwersytecie w Aarhus(odnośnik otworzy się w nowym oknie), wyjaśnia: „Są one wyjątkowe ze względu na swoją zdolność do podziału pracy metabolicznej(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pomiędzy różne komórki. Innymi słowy, podczas gdy niektóre komórki zakopane w beztlenowym osadzie generują energię poprzez utlenianie donora elektronów (najczęściej siarczku), inne redukują tlen w strefie oksycznej, wykonując odmienną reakcja połowiczną redoks(odnośnik otworzy się w nowym oknie)”. Projekt Cable electricity O2 zakładał opracowanie bioelektrochemicznego systemu, który przy użyciu bakterii przełączałby się między wytwarzaniem a magazynowaniem energii. Chodzi o umożliwienie biologicznego zasilania mikroprocesorów, a jeśli uda się tego dokonać, osiągnięcie to może torować drogę do powstania biodegradowalnej elektroniki.
Kultury wzbogacone bakteriami tworzące przewody wytwarzają prąd elektryczny
Bakterie zintegrowano z systemem zarządzania energią, składającym się z układu mikroprocesorowego, układu pomiaru prądu i napięcia oraz mikrokontrolera zasilającego mikroprocesor elektronami pochodzącymi z osadu. Aby zbadać potencjalną elektroaktywność bakterii, przeprowadzono inokulację osadu słodkowodnego ogniwem trójelektrodowym składającym się z elektrody roboczej z filcu węglowego, elektrody odniesienia z Ag/AgCl i przeciwelektrody z Ti. „Osad został wzbogacony o pojedynczy szczep E. aureum GS. Nie stwierdzono obecności innych szczepów bakterii tworzących przewody elektryczne. Po zaszczepieniu prąd wykazywał wzrost sigmoidalny”, mówi Aiyer. Aby dokładniej zrozumieć konkretny udział bakterii w całkowitym zmierzonym prądzie, kolejny zestaw trójelektrodowych ogniw umieszczono w osadzie w autoklawie. „Dodaliśmy około 10 czystych bakterii po wyłowieniu ich z osadu za pomocą wysterylizowanych szklanych haczyków. W porównaniu z osadami kontrolnymi w autoklawie, dodanie żywych bakterii spowodowało wyraźny wzrost natężenia prądu, podkreślając ich szczególną rolę w napędzaniu elektroaktywności systemu”, zauważa Aiyer.
Zasilane bakteriami procesory pomagają w tworzeniu biodegradowalnej elektroniki
Zespołowi udało się wyhodować bakterie tworzące przewody na elektrodach. Trwało to dłużej niż pierwotnie planowano, ale udało się zbudować dający się odtworzyć system, jak dowodzą badacze w niedawno opublikowanym artykule(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Aiyer wyraża przekonanie, że projekt przyczynia się do stworzenia biologicznych podstaw wytwarzania energii, co wpisuje się w ogólny cel, jakim jest znalezienie sposobów wytwarzania biokompatybilnych i biodegradowalnych urządzeń elektronicznych. Najważniejszym odkryciem było to, że bakterie tworzące przewody można hodować bezpośrednio na elektrodach, zamiast hodować je z tlenem, jak ma to miejsce w przyrodzie. Wsparcie ze strony UE miało fundamentalne znaczenie dla tego odkrycia. „Wiedzieliśmy już o ich zdolności do wewnętrznego przemieszczania elektronów na centymetrowe odległości, ale nie zdawaliśmy sobie sprawy, że mogą one również wymieniać elektrony bezpośrednio z powierzchniami stałymi, takimi jak elektrody. Zademonstrowanie tego zachowania daje nam po raz pierwszy możliwość kontrolowanego badania, w jaki sposób bakterie te oddziałują elektrycznie ze swoim środowiskiem. To niezbędny krok przed opracowaniem jakichkolwiek praktycznych zastosowań”.
