Nghiên cứu mới tạo ra điện từ vi khuẩn E. coli trong nước thải

Đột phá sản xuất điện sinh học từ vi khuẩn E. coli

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Ardemis Boghossian tại EPFL đã báo cáo một thành tựu đột phá về điện tử sinh học, nâng cao khả năng tạo ra điện của vi khuẩn E. coli thông thường. Công trình vừa được công bố trên tạp chí Joule, phác thảo một cách tiếp cận mới có thể cách mạng hóa quản lý chất thải và sản xuất năng lượng.

Giáo sư Boghossian cho biết: "Chúng tôi đã khám phá tiềm năng của vi khuẩn E. coli, loại vi khuẩn được nghiên cứu rộng rãi nhất, để tạo ra điện. Mặc dù có những vi khuẩn ngoại lai có khả năng tạo ra điện một cách tự nhiên nhưng chúng chỉ có thể làm được điều đó khi có sự hiện diện của các hóa chất cụ thể. E. coli có thể phát triển trên nhiều nguồn khác nhau, điều này cho phép chúng ta sản xuất điện ở nhiều môi trường khác nhau, bao gồm cả nước thải".

Vi khuẩn E. coli (Escherichia coli) là trực khuẩn gram âm, có khả năng di động do có lông xung quanh thân, kỵ khí tùy nghi, hình que. Vi khuẩn thường gặp ở đoạn dưới ống tiêu hóa của các sinh vật máu nóng. Hầu hết các chủng E. coli đều vô hại, nhưng một số có thể gây ngộ độc thực phẩm nghiêm trọng cho vật chủ và đôi khi là nguyên nhân gây ra các sự cố ô nhiễm thực phẩm khiến sản phẩm bị thu hồi. Hầu hết các chủng không gây bệnh cho người và là một phần của hệ vi sinh vật đường ruột bình thường; những chủng như vậy là vô hại hoặc thậm chí có lợi cho con người (mặc dù những chủng này có xu hướng ít được nghiên cứu hơn những chủng gây bệnh).

Vi khuẩn E. coli là đối tượng nghiên cứu phổ biến trong lĩnh vực sinh học, đã từng được khai thác để tạo ra điện thông qua một quá trình được gọi là chuyển điện tử ngoại bào (EET). Các nhà nghiên cứu tại Đại học EPFL đã khai thác vi khuẩn E. coli để tăng cường khả năng EET, khiến chúng trở thành "vi khuẩn điện" hiệu quả cao. 

Không giống như các phương pháp trước đây yêu cầu các hóa chất cụ thể để phát điện, vi khuẩn E. coli được biến đổi sinh học có thể tạo ra điện trong khi chuyển hóa nhiều loại chất nền hữu cơ.

Một trong những đột phá quan trọng của nghiên cứu mới là việc tạo ra một con đường EET hoàn chỉnh trong E. coli, một kỳ tích chưa từng đạt được trước đây. Bằng cách tích hợp các thành phần từ Shewanella oneidensis MR-1, một loại vi khuẩn nổi tiếng với khả năng tạo ra điện, các nhà nghiên cứu đã xây dựng thành công một con đường tối ưu hóa kéo dài qua màng bên trong và bên ngoài của tế bào. Con đường mới này đã vượt qua các phương pháp tiếp cận từng phần trước đó và sản xuất lượng điện tăng gấp 3 lần so với các phương pháp thông thường.

Tiềm năng "kép" của vi khuẩn E. coli

Phương pháp sử dụng vi khuẩn để sản xuất điện đã được biết đến trong nhiều thập kỷ, nhưng chỉ đến thời gian gần đây, những tiến bộ của khoa học công nghệ mới giúp ý tưởng này trở nên khả thi để áp dụng rộng rãi và đem lại hiệu quả cao.

Trong nghiên cứu mới, điều quan trọng là E. coli biến đổi sinh học có hiệu suất vượt trội trong nhiều môi trường khác nhau, bao gồm cả nước thải được thu thập từ nhà máy bia. Trong khi các vi khuẩn điện ngoại lai suy yếu thì vi khuẩn E. coli biến đổi sinh học lại phát triển mạnh, cho thấy tiềm năng của nó trong việc kết hợp xử lý chất thải và sản xuất năng lượng trên quy mô lớn.

Giáo sư Boghossian cho biết: "Thay vì đưa năng lượng vào hệ thống để xử lý chất thải hữu cơ, chúng tôi đang sản xuất điện đồng thời xử lý chất thải hữu cơ - một mũi tên trúng hai đích. Chúng tôi đã thử nghiệm công nghệ mới trực tiếp trên nước thải thu thập từ một nhà máy bia địa phương ở Lausanne. Các vi khuẩn điện ngoại lai thậm chí không thể tồn tại, trong khi vi khuẩn điện được biến đổi sinh học của chúng tôi có thể phát triển theo cấp số nhân bằng cách ăn chất thải này".

Tiềm năng của kết quả nghiên cứu mới còn vượt ra ngoài ứng dụng xử lý chất thải. Với khả năng tạo ra điện từ nhiều nguồn khác nhau, vi khuẩn E. coli biến đổi sinh học có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu vi sinh vật, quá trình điện tổng hợp và cảm biến sinh học, cùng một số ứng dụng khác. Ngoài ra, tính linh hoạt di truyền của vi khuẩn cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh nó thích ứng với môi trường và nguyên liệu cụ thể, khiến nó trở thành một công cụ linh hoạt để phát triển công nghệ bền vững.