Elektrolytische koolstofdioxide-afvang: een microbieel experiment

Zoeken naar micro-organismen die koolstofdioxide efficiënt opvangen₂
“Enzymen die door micro-organismen worden gebruikt, zijn een geweldige speeltuin voor wetenschappers, omdat ze zeer specifieke reacties met hoge snelheden mogelijk maken”, zegt Tristan Wagner, hoofd van de Max Planck Research Group for Microbiële Metabolisme bij het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie (MPIMM). Sommige van deze enzymen hebben een interessante manier om kooldioxide op te vangen₂: Ze zetten het om in formiaat, een stabiele en veilige verbinding die kan worden gebruikt om energie op te slaan of om verschillende moleculen te vervaardigen voor industriële of farmaceutische doeleinden. Een voorbeeld is Methermicoccus shengliensis, een methanogeen (methaanproducerende microbe) geïsoleerd uit een olieveld en groeit bij 50°C. Het is de afgelopen jaren gekweekt en bestudeerd door Julia Kurth en Cornelia Felt aan de Radboud Universiteit in Nederland. Bij het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie ontleedden Olivier Lemire, Melissa Belhamri en Tristan Wagner een microbe om de koolstofdioxide ervan te vinden.₂– Vang het enzym op en meet hoe snel en efficiënt koolstofdioxide wordt omgezet₂.

een bedrijf₂– Omzettend enzym met groot potentieel
Wetenschappers van Max Planck namen de moeilijke taak op zich om het microbiële enzym te isoleren. “Omdat we wisten dat dergelijke enzymen gevoelig zijn voor zuurstof, moesten we in een anaerobe tent zonder omgevingslucht werken om ze van andere eiwitten te scheiden – erg ingewikkeld, maar het is ons gelukt”, zegt Olivier Lemire. Eenmaal geïsoleerd bepaalden wetenschappers de eigenschappen van het enzym. Ze toonden aan dat het op efficiënte wijze formiaat uit kooldioxide genereert₂ Maar het werkt averechts, tegen een zeer laag tempo en met slechte rendementen. “Het is algemeen bekend dat vergelijkbare enzymen die tot de formiaatdehydrogenasefamilie behoren, in beide richtingen werken, maar we hebben aangetoond dat het enzym in Methermicoccus hengliensis bijna unidirectioneel is en formiaat niet efficiënt kan omzetten in kooldioxide.₂“, zegt Melissa Belhamri. “We waren erg enthousiast over dit fenomeen, dat alleen optreedt bij afwezigheid van zuurstof”, voegt ze eraan toe. “Omdat formiaat gegenereerd uit kooldioxide₂-De installatie kan niet meer worden omgebouwd en stapelt zich dus op. Zo’n systeem zou een zeer interessant filter voor kooldioxide zijn₂“Vastleggen, vooral als we het op een elektrode kunnen aftakken”, benadrukt Tristan Wagner. Het voordeel: omdat het enzym op natuurlijke of chemische wijze aan een elektrode bindt, genereert het de ‘energie’ die nodig is om koolstofdioxide op te vangen.₂ Het wordt rechtstreeks via de elektrode aangesloten, zonder verlies van elektrische stroom of de noodzaak van dure of giftige chemische verbindingen als relais. Aldus zijn enzymgekoppelde elektroden efficiënte en aantrekkelijke systemen voor gasconversieprocedures. Het gezuiverde enzym werd dus naar de Universiteit van Genève gestuurd voor CO2-bereiding op basis van elektrodes₂-Capture-systeem.

Gasconversie met behulp van elektriciteit
Salihan Shaheen en Ross Milton van de Universiteit van Genève zijn gespecialiseerd in elektrochemie. Ze gebruiken elektroden die zijn aangesloten op een elektrische stroom om chemische reacties uit te voeren. Elektrode-gebaseerde formiaatgeneratie uit kooldioxide₂ Vaak zijn er verontreinigende mineralen en sporenelementen nodig. Daarom probeerden ze deze mineralen te vervangen door het enzym dat werd geëxtraheerd uit de groep van Tristan Wagner bij MPIMM. Het proces van het binden van het enzym aan de elektrode verloopt niet altijd zo efficiënt als verwacht, maar het enzym uit Wagners onderzoeksgroep heeft specifieke eigenschappen die het proces kunnen vergemakkelijken. Wetenschappers uit Zwitserland konden het enzym aan een grafietelektrode bevestigen, waar het het gasconversieproces uitvoerde. De gemeten snelheden waren vergelijkbaar met die verkregen met behulp van klassieke formiaatdehydrogenase. “De kracht van dit biologische systeem, gekoppeld aan de elektrode, ligt in de efficiëntie bij het overbrengen van elektronen van elektriciteit naar de omzetting van koolstofdioxide”, benadrukt Lemaire. Shaheen en Milton bevestigden ook dat het systeem de omgekeerde reactie slecht uitvoert, zoals eerder werd waargenomen in de reactiebuis. Als gevolg hiervan zette de continu gemodificeerde elektrode broeikasgassen om in een formatie zonder enige waarneembare bijproducten of verlies van elektrische stroom.

Op weg naar een nieuwe oplossing voor koolstofdioxide in de atmosfeer₂ uitbuiten
Het gezamenlijke werk biedt een nieuw moleculair hulpmiddel voor de wetenschappelijke gemeenschap: een enzym dat kooldioxide omzet₂ Hierdoor wordt elektriciteit met een hoog rendement overgedragen. Hernieuwbare groene energie (zoals wind- of zonne-energie) kan elektriciteit leveren voor het op elektrodes gebaseerde systeem dat koolstofdioxide omzet₂ Een molecuul vormen dat direct kan worden gebruikt in toepassingen of voor energieopslag. “Vóór ons had niemand ooit geprobeerd een enzym uit dit methanogeen te bestuderen voor gasconversie via elektrodes”, zegt Tristan Wagner. “Methanogenen zijn echter uitstekende aardgasconverters.” Hoe krachtig enzymen ook kunnen zijn, het gebruik van enzymen in grootschalige processen zal ook vergelijkbare enzymproductiesystemen vereisen, wat een aanzienlijke investering is. Hoewel de ontdekte strategie in theorie de CO2-omzetting aanzienlijk zou kunnen verbeteren, is diepgaande kennis van het enzymmechanisme noodzakelijk voordat deze wordt toegepast, en het team van onderzoekers zal nu de moleculaire geheimen van de reactie diepgaand moeten ontleden.