26/06/2018
Door Ad Spijkers
Een met levende cyanobacteriën gecoate elektrode is geschikt om onder invloed van licht efficiënt stroom te produceren. Maar dat kunnen ze ook in het donker.
Op zoek naar duurzame manieren voor energieopwekking gebruiken onderzoekers steeds weer micro-organismen of hieruit geëxtraheerde biomoleculen, zoals bepaalde fotosynthetische eiwitten. Maar geïsoleerde moleculen zijn in de regel niet stabiel op lange termijn. Een voordeel van levende cellen is, dat ze een herstellingsmechanisme hebben om celschades te repareren. Het systeem regenereert zichzelf.
Een uitdaging bij het werken met levende organismen is echter, dat het moeilijk is om elektronen – dus uiteindelijk stroom – uit de cellen te krijgen en toepasbaar te maken voor technische toepassing. Dat is een team onderzoekers van het Israel Institute of Technology in Haifa, het Weizmann Institute in Rehovot (Israël) en het Zentrum für Elektrochemie van de Ruhr-Universität Bochum nu gelukt. Ze hoefden geen moleculen aan hun systeem toe te voegen voor de opname of afgifte van elektronen, maar gebruikten alleen de stoffen in de natuurlijke cellen zelf.
Cyanobacteriën
Cyanobacteriën hebben twee systemen voor energieopwekking: bij licht en in het donker. Bij licht vindt fotosynthese plaats, waarbij waterstof en kooldioxide worden gebruikt om suikermoleculen en zuurstof te vormen. Het proces stelt een elektronentransportketen in werking, die de productie van energie opslaande moleculen zoals ATP in gang zet.
In het donker worden tijdens de zogeheten celademing de opgeslagen suikermoleculen met behulp van zuurstof weer ontleed om energie op te wekken. Ook hier speelt het elektronentransport een belangrijke rol.
Met hun met cyanobacteriën gecoate grafiek-elektrode konden de onderzoekers elektronen uit beide processen (fotosynthese en celademing) afleiden en zo een stroom buiten de cel genereren, en wel efficiënter dan in eerdere systemen.
Ze ontdekten dat een klein oplosbaar molecuul de cel verlaat en de elektronen naar het elektrodenoppervlak transporteert. Dit gebeurt echter alleen in voldoende mate wanneer de groep de cellen voorzichtig voorbehandelde voordat ze de op de elektrode werd aangebracht. Voor dit doel werden de cellen enigszins samengedrukt zodat de celwand niet meer volledig intact was.
Resultaten
Volgens de onderzoekers is het voor het eerst dat een bemiddelend molecuul werd gevonden dat afkomstig is uit een levende cel zelf, door zijn celwand kan diffunderen en zo elektronen naar buiten kan transporteren. Om welke stof het precies gaat, is nog onbekend. De analyses toonden echter aan dat het een relatief klein, in water oplosbaar molecuul moet zijn dat celwanden en membranen kan passeren.
De onderzoekers denken dat het cyanobacteriënsysteem de potentie heeft om een groene energiebron te worden. Met enkele modificaties moet het mogelijk zijn om onder invloed van licht een lange tijd stroom op te wekken, terwijl het systeem alles in zich heeft om zichzelf steeds weer te regenereren.
(foto: Ruhr-Universität Bochum)