La comparación de la estructura de los ecosistemas microbianos marinos y la batería oceánica biónica miniaturizada. Ambos sistemas poseen la misma estructura física (capa de columna de agua y capa de sedimento) y la misma estructura ecológica (productores primarios, degradadores primarios y consumidores finales). Los ecosistemas microbianos marinos son enormes, con una profundidad promedio superior a 4000 m, mientras que la batería oceánica biónica miniaturizada se compactó en un recipiente con una profundidad de 5 cm, acelerando así el flujo de electrones al acortar la distancia de transferencia de electrones. En los ecosistemas microbianos marinos, especialmente en los sedimentos anaeróbicos, las especies microbianas altamente diversificadas y sus complejas interacciones hacen que el flujo de electrones se disperse en varios procesos biogeoquímicos mediados por microbios, es decir, ciclos elementales. Por el contrario, la batería oceánica biónica miniaturizada fabricada con la comunidad sintética solo contiene cuatro especies microbianas conectadas por los portadores de energía específicos. Esta estructura simplificada dirige los electrones de manera específica hacia el único objetivo, es decir, la corriente eléctrica. Crédito:Comunicaciones de la naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-33358-x
Los investigadores del Instituto de Microbiología de la Academia de Ciencias de China han desarrollado una batería oceánica biónica miniaturizada, una célula biosolar que convierte la luz en electricidad, imitando la estructura ecológica básica de los ecosistemas microbianos marinos. Este estudio fue publicado en Nature Communications .
Los océanos cubren alrededor del 70% de la superficie terrestre. Desde la perspectiva de la energía, los ecosistemas marinos son un enorme sistema de bioconversión de energía solar en el que los microorganismos dominan los procesos de conversión de energía.
La conversión de energía en los ecosistemas marinos comienza con la fotosíntesis. Los microorganismos fotosintéticos, llamados productores primarios, ubicados en la zona eufótica de la columna de agua, absorben la energía solar y convierten los fotones en electrones que se utilizan para fijar el dióxido de carbono en materia orgánica. La materia orgánica es consumida en parte por el plancton que vive en la columna de agua y en parte depositada en los sedimentos marinos donde microorganismos anaeróbicos facultativos o estrictamente anaeróbicos mineralizan la materia orgánica compleja a dióxido de carbono a través de sucesivas oxidaciones.
Los microorganismos en los sedimentos marinos se pueden dividir en dos grupos. Un grupo, llamado degradadores primarios, es responsable de la degradación de materia orgánica compleja en compuestos orgánicos simples; el otro grupo, llamados consumidores finales, es responsable de la oxidación completa de compuestos orgánicos simples, liberando electrones para la reducción biológica de elementos como nitrógeno, hierro, manganeso y azufre. A través de la fijación fotosintética del carbono y la mineralización de la materia orgánica, los ecosistemas microbianos marinos utilizan la energía solar para impulsar los ciclos biogeoquímicos.
Vistos desde el espacio exterior, los ecosistemas microbianos marinos con función de conversión fotoeléctrica pueden considerarse como una enorme "batería oceánica" cargada con energía solar. Sin embargo, la distribución espacial y temporal de los microorganismos en los ecosistemas marinos es enorme y la transferencia de electrones es lenta y lenta, por lo que la eficiencia de la conversión fotoeléctrica es baja. Los investigadores propusieron que es posible desarrollar una batería oceánica compactada espacial y temporalmente con una eficiencia energética significativamente mejorada.
Para lograr este objetivo, los investigadores extrajeron la estructura básica de los ecosistemas microbianos marinos. Diseñaron y construyeron una comunidad microbiana sintética compuesta por un productor primario (cianobacterias), un degradador primario (Escherichia coli) y consumidores finales (Shewanella oneidensis y Geobacter sulfurreducens) para la conversión biofotoeléctrica.
En esta comunidad microbiana sintética, las cianobacterias diseñadas pueden sintetizar sacarosa a partir de dióxido de carbono mediante el uso de energía luminosa y almacenar energía luminosa en sacarosa; la E. coli diseñada es responsable de degradar la sacarosa a lactato; S. oneidensis y G. sulfurreducens oxidan completamente el lactato a dióxido de carbono a través de sucesivas oxidaciones y transfieren electrones a los electrodos extracelulares para generar corriente eléctrica, convirtiendo así la energía de la luz en electricidad.
Los investigadores demostraron que la comunidad microbiana de cuatro especies superó significativamente a la comunidad de tres especies que carecía de G. sulfurreducens y a la comunidad de dos especies que carecía de E. coli y G. sulfurreducens en términos de resistencia interna, densidad de potencia máxima y estabilidad, lo que indica que mantener la estructura ecológica completa de los ecosistemas microbianos marinos es esencial para lograr una conversión biofotoeléctrica eficiente. La densidad de potencia máxima de esta comunidad microbiana de cuatro especies alcanzó los 1,7 W/m 2 , que es un orden de magnitud mayor que el del sistema biofotovoltaico de dos especies informado por los autores en trabajos anteriores (Zhu et al, Nature Communications , 2019, 10:4282).
Los investigadores descubrieron además que el oxígeno producido por las cianobacterias durante la fotosíntesis permitía la respiración aeróbica de E. coli y S. oneidensis, y el oxígeno inhibía la generación de electricidad por S. oneidensis y G. sulfurreducens estrictamente anaeróbica, lo que provocaba un efecto negativo en el rendimiento global. Para resolver este problema, los investigadores bloquearon la vía de respiración aeróbica de E. coli y S. oneidensis. Desarrollaron un hidrogel conductor con propiedades de barrera contra el oxígeno. El hidrogel conductor se usó para encapsular E. coli, S. oneidensis y G. sulfurreducens para formar una capa de sedimento artificial aislante de oxígeno capaz de transferir electrones.
Al ensamblar la capa de sedimento artificial que contiene el degradador primario (E. coli) y los consumidores finales (S. oneidensis y G. sulfurreducens) con una capa de columna de agua que contiene el productor primario (cianobacterias), los investigadores eventualmente ensamblaron una célula biosolar integrada que directamente convierte la luz en electricidad durante más de un mes.
Esta célula biosolar imita la estructura física básica y la estructura ecológica de la batería oceánica, con una escala espacio-temporal significativamente compactada y el número de especies minimizado, por lo que puede considerarse como una batería oceánica biónica miniaturizada.
Este estudio demuestra que una comunidad microbiana sintética compactada espaciotemporalmente y minimizada por especies puede reproducir la función de conversión fotoeléctrica de los ecosistemas microbianos marinos. La eficiencia energética de esta batería oceánica biónica es mayor que la de los ecosistemas marinos debido a que supera el modelo de transferencia de electrones lento y similar a una red.
El desarrollo de baterías oceánicas biónicas miniaturizadas mejora la eficiencia biofotovoltaica y proporciona una nueva ruta para el desarrollo de células biosolares eficientes y estables. Este estudio también demuestra el potencial biotecnológico de la ecología sintética. Científicos desarrollan novedoso sistema biofotovoltaico
