Почвенные бактерии научились хранить солнечную энергию для очистки отходов

Международная группа ученых обнаружила удивительную способность почвенных микробов использовать энергию солнечного света даже после его захода. Исследователи из Куньминского университета науки и технологий и Массачусетского университета в Амхерсте разработали «биофотоэлектрическую почвенно-микробную батарею», которая может улавливать, хранить и высвобождать солнечную энергию для расщепления загрязнителей-антибиотиков в полной темноте.

Исследование, опубликованное в журнале Environmental and Biogeochemical Processes, показывает, что распространенные почвенные бактерии вида Bacillus megaterium могут вступать в партнерство с минералами железа. Вместе они образуют живую биопленку, которая ведет себя как перезаряжаемый геохимический конденсатор. Под воздействием света эта пленка поглощает фотоны и накапливает полученные электроны. Позже, в отсутствие света, она высвобождает сохраненные заряды, запуская химические реакции, которые разрушают такие антибиотики, как тетрациклин и хлорамфеникол.

«Наши выводы показывают, что почвенные микроорганизмы и минералы могут вместе функционировать как крошечные природные батареи», – говорит один из авторов работы, профессор Бо Пан. – «Эта система способна улавливать солнечный свет днем и использовать эту энергию ночью для удаления загрязняющих веществ».

В ходе лабораторных экспериментов композит из оксида железа и бактерий B. megaterium сгенерировал общий накопленный заряд 8,06 микрокулон на квадратный сантиметр во время циклов «свет – темнота». После одного часа пребывания на свету система в полной темноте расщепила до 22 процентов антибиотиков – это на 67 процентов эффективнее, чем при более коротком световом воздействии.

Механизм основан на циклическом переходе железа между его формами Fe(II) и Fe(III) при участии бактериального метаболизма. Эта окислительно-восстановительная «эстафета» обеспечивает хранение и постепенное высвобождение электронов, создавая стабильный источник энергии для реакций в темное время суток. Электрохимический анализ подтвердил, что такое взаимодействие минералов и микробов улучшает перенос заряда и снижает потери энергии, образуя биологический псевдоконденсатор.

«Это открытие по-новому объясняет, как солнечная энергия может управлять биогеохимическими процессами даже под поверхностью почвы, куда не проникает солнечный свет», – отмечает профессор Баошань Син из Массачусетского университета в Амхерсте. – «Оно также предлагает экологически устойчивый способ восстановления загрязненных почв и грунтовых вод».

Ученые считают, что подобные минерально-микробные системы могут играть скрытую, но жизненно важную роль в естественных энергетических циклах и процессах самоочищения экосистем от загрязнения.