Walka ze zmianami klimatu sprawia, że poszukiwanie neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla źródeł energii staje się coraz pilniejsze. Zielony wodór, który jest produkowany z wody przy pomocy energii odnawialnych, takich jak wiatr czy słońce, jest jednym z rozwiązań, w którym pokłada się nadzieje. Transport i przechowywanie tego wysoce wybuchowego gazu jest jednak trudne, dlatego naukowcy na całym świecie szukają rozwiązań chemicznych i biologicznych tego problemu.

Zespół mikrobiologów z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie znalazł enzym w bakteriach beztlenowych, które wiążą wodór bezpośrednio z CO2, wytwarzając kwas mrówkowy na drodze szlaków metabolicznych. Proces ten jest całkowicie odwracalny – to podstawowy wymóg dla przechowywania wodoru. Te bakterie, które można znaleźć na przykład w głębinach morskich, żywią się dwutlenkiem węgla, który przy pomocy wodoru metabolizują do kwasu mrówkowego. Zwykle jednak kwas mrówkowy jest tylko produktem pośrednim ich metabolizmu i jest dalej trawiony do kwasu octowego i etanolu. Zespół kierowany przez profesora Volkera Müllera, kierownika Katedry Mikrobiologii Molekularnej i Bioenergetyki, zaadaptował bakterie w taki sposób, że możliwe jest nie tylko zatrzymanie tego procesu na etapie kwasu mrówkowego, ale także jego odwrócenie. Podstawowa zasada została opatentowana już w 2013 roku.

– Zmierzone szybkości redukcji CO2 do kwasu mrówkowego i z powrotem są najwyższe w historii i wielokrotnie większe niż w przypadku innych katalizatorów biologicznych lub chemicznych; ponadto i w przeciwieństwie do katalizatorów chemicznych, bakterie nie wymagają rzadkich metali lub ekstremalnych warunków dla reakcji, takich jak wysokie temperatury i wysokie ciśnienie, ale zamiast tego wykonują pracę w temperaturze 30 ° C i normalnym ciśnieniu – informuje Müller.

Grupa ma teraz do ogłoszenia nowy sukces: rozwój biobaterii do przechowywania wodoru z pomocą tych samych bakterii.

Dla komunalnych lub domowych magazynów wodoru pożądany jest system, w którym bakterie najpierw magazynują wodór, a następnie uwalniają go w jednym i tym samym bioreaktorze i to w sposób możliwie stabilny przez długi okres czasu. Fabianowi Schwarzowi, który napisał pracę doktorską na ten temat w laboratorium profesora Müllera, udało się skonstruować taki bioreaktor. Karmił on bakterie wodorem przez osiem godzin, a następnie w ciągu 16-godzinnej fazy w ciągu nocy wprowadził je na „dietę wodorową”. Następnie bakterie ponownie uwolniły cały wodór. Udało się wyeliminować niepożądane tworzenie się kwasu octowego za pomocą procesów inżynierii genetycznej.

Fot. Model potencjalnego bakteryjnego systemu magazynowania wodoru: w ciągu dnia za pomocą jednostki fotowoltaicznej wytwarzana jest energia elektryczna, która następnie zasila proces hydrolizy wody. Bakterie wiążą wyprodukowany w ten sposób wodór z CO2, w wyniku czego powstaje kwas mrówkowy. Reakcja ta jest w pełni odwracalna, a kierunek reakcji jest sterowany wyłącznie przez stężenie materiałów wyjściowych i produktów końcowych. W nocy stężenie wodoru w bioreaktorze spada i bakterie zaczynają ponownie uwalniać wodór z kwasu mrówkowego. Ten wodór może być następnie wykorzystany jako źródło energii. (żródło: https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.020)

–  System działał niezwykle stabilnie przez co najmniej dwa tygodnie – wyjaśnia Fabian Schwarz.

– Interesowało mnie, w jaki sposób te pierwsze organizmy zorganizowały swoje procesy życiowe i jak udało im się rosnąć przy braku powietrza z prostymi gazami, takimi jak wodór i dwutlenek węgla – wyjaśnia Volker Müller.

W wyniku zmian klimatycznych badania zyskały nowy, aplikacyjny wymiar. Zaskakująco dla wielu inżynierów, biologia może produkować praktyczne rozwiązania, mówi naukowiec.

Cała publikacja "Biological hydrogen storage and release through multiple cycles of bi-directional hydrogenation of CO2 to formic acid in a single process unit" DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.020; dostępna  tutaj>> cell.com