Drobná bakterie rodu Geobacter budí pozornost odborníků už několik posledních desetiletí. Za touto zvláštní pozorností stojí její neuvěřitelná schopnost přeměňovat splašky v elektrický proud. Američtí a čínští vědci nedávno dali těmto bakteriím ještě další úkol – odsolovat mořskou vodu!
Když v roce 1987 americký mikrobiolog Derek Lovley z bahnitých sedimentů nedaleko amerického hlavního města Washingtonu poprvé izoloval první bakterii rodu Geobacter, nejspíš ještě netušil, o jak významný organismus vlastně zaškobrtnul. Jako význačnému specialistovi na život bakterií mu však význam jeho objevu brzy došel a z těchto droboulinkých tvorečků se stala jeho celoživotní posedlost. Tyto pozoruhodné organismy v sobě spojují hned několik schopností, které bychom mohli vyvažovat zlatem. Nejenže dokážou zbavovat odpadní vody nepříjemných příměsí, ale energii z nich získanou umějí převést na elektrický proud. Aby se však tyto bakterie staly našimi skutečně efektivními spojenci, je třeba spousta mravenčí práce v laboratořích. Řada laboratoří z celého světa ohlašuje v poslední době jeden významný krok za druhým. Zvlášť se činí Američané, Číňané a Indové.
Výrobce tajemných sedimentů
Ani Derek Lovley, tehdejší zaměstnanec Geologické služby Spojených států, se nevydal zkoumat bahno řeky Potomac na severovýchodě USA jen z nějakého rozmaru či nedostatku lepší práce. V době, kdy studoval na vysoké škole, začínali totiž vědci postupně rozmotávat složité klubko vztahů, které vládne v ekosystémech lidskému oku nepřístupných. Poznání, že bakterie propojují celý svět neuvěřitelně komplikovanými sítěmi, bylo pro mladého vědce takovým lákadlem, že prostě nemohl stát opodál. Jako mikrobiolog dobře věděl, že se řada druhů bakterií může v prostředí chudém na kyslík „živit“ i nejrůznějšími jinými látkami. Přes počáteční nedůvěru svých kolegů na bahnitém dně řeky objevil bakterie, které dokázaly redukovat železo ve formě oxidu železitého (Fe2O3). Nový organismus, který zezačátku nazýval pouze GS-15, získal jméno Geobacter metallireducens. Jednou z mnoha point podivuhodného příběhu této bakterie je, že její existence napomohla vysvětlit existenci jevu, který z hlediska teorie stojí přesně na hranici věd o živém (živé přírodě?) a geologií. Kambrijské vrstvy, staré asi 500 milionů let, totiž obsahují nezvykle velké množství minerálu magnetitu (magnetovce), který je tvořen právě oxidy železa. Poznání způsobu, jak si tyto organismy vyrábějí energii, nám umožnilo poznat, že tyto rozsáhlé sedimenty nejsou dílem nikoho jiného než obrovitého množství těchto malých chemických továren.
Hostina v zamořeném bahně
Od chvíle, kdy prof. Lovley zázračnou bakterii objevil, začaly významné objevy pršet jeden za druhým. Geobakterie získaly ve vědeckém světě obrovskou popularitu na přelomu tisíciletí, když se ukázalo, že jejich apetitu neodolá řada látek, které bychom v odpadních vodách či kontaminovaných půdách nejraději neviděli (odborně tomuto procesu říkáme bioremediace). Za jejich schopnostmi stojí způsob, jakým pro sebe získávají energii. Z okolí musí nejprve získat látky, které poté „projedou“ svým energetickým aparátem (obecně se jedná o oxidačně redukční reakce) tak, aby jim při proměně živin zůstala alespoň nějaká část energie takzvaně za nehty. Látky, které do reakce vstupují, se přemění v látky jiné, které už pro životní prostředí tak škodlivé nejsou. Geobakterie si spolu s dalšími druhy bakterií dokážou poradit především s likvidací látek, jejichž původ v přírodě je třeba hledat ve špatném hospodaření s ropnými produkty. Nejrůznější uhlovodíky, které tvoří ropný „koktejl“, jsou přičinlivými bakteriemi oxidovány až na výsledný produkt, kterým je oxid uhličitý. Tím však prospěšnost geobakterií zdaleka nekončí. Jejich nevídané všežravosti podlehne i látka ještě nebezpečnější – uran. Nebezpečný a rozpustný šestimocný uran (U6+) dokážou redukovat na jeho hodnější dvojče, uran čtyřmocný (U4+).
Kam s přebytkem energie?
Stejně jako jakékoliv jiné organismy jsou tedy i bakterie producenty energie, kterou využívají pro svou vlastní stavbu. Zvláštností některých z nich je, že jsou schopny vyrobit energie tolik, že ji všechnu nestačí uložit do podoby chemických vazeb. Některé z nich doslova bzučí elektrony, které vznikají při oxidačně redukčních pochodech. Napětí, které vzniká, by mohlo buňku poškodit, a proto je třeba „uzemnění“, které přebytečný náboj odvede do bezpečí. Právě s tímto problémem si musejí poradit bakterie rodu Geobacter. Příroda je přirozeně vybavila jistým řešením. Na povrchu velké části bakterií se totiž nalézají drobné „chloupky“, které odborníci nazývají pili (jednotné číslo pilus). Pili slouží pestré paletě účelů. Některé z nich napomáhají při spojení a „páření“, jiné zase k pohybu či přilnutí na substrátu. Zvláštní funkcí pilů je i propojování bakterií do větších celků – bakteriálních kolonií. Bakterie rodu Geobacter patří mezi vůbec „nejchlupatější“ bakterie. Jejich chloupky je jednak spojují, zároveň jim však také slouží právě jako uzemňující dráty, jimiž se vybíjejí přebytečné elektrony. Tento objev pochopitelně nemohl nechat vědce chladnými a vymysleli jednoduchý, ale po čertech dobrý plán – přinutit bakterie, aby energii z odpadu přeměňovaly na elektřinu. Ideální prostředím pro takovou výrobu energie jsou čističky odpadních vod.
Jak si cucnout od bakterií?
O tom, že bakterie mohou být zdrojem elektrického proudu, víme už celých 100 let. Psal se rok 1911, když americký botanik Michael Cresse Potter, působící na University of Durham v Severní Karolíně, odhalil, že mezi elektrodou ponořenou do misky s kolonií bakterií E. coli a druhou, ponořenou do živného roztoku, vede slabý elektrický proud. Dnes již víme, že je tomu tak proto, že anoda funguje jako příjemce elektronů, které by bakterie jinak musela vázat na látky, které redukuje. Právě této vlastnosti se chytily další generace výzkumníků, kteří se rozhodli vytvořit takzvané bakteriální elektrické články (MFC). Potíž je v tom, že bakterie nechtějí odevzdat své elektrony anodě, vyrobené většinou z grafitu (tuhy), jen tak. Mezi bakteriální film a elektrodu bylo proto třeba vsunout ještě další uměle připravenou vrstvu (mediátor), která této „předávce“ napomůže. Tyto látky jsou však poměrně drahé a také nepříliš vstřícné vůči životnímu prostředí. „Chlupaté“ bakterie (využívá se zejména Geobacter sulfurreducensis, Shewanella oneidensis a Rhodoferax ferrireducensis) však tímto problémem netrpí. Díky svým „nanodrátkům“ dokážou své elektrony předat anodě bez jakýchkoliv prostředníků. Proces výroby článků se tak opět zjednodušil.
Miliardy drobných odsolovačů
Odsolování mořské vody je jednou z důležitých cest, jimiž se lidstvo chystá bránit nedostatku pitné vody v budoucnosti. Doposavad se používaly zejména dva způsoby, jak mořskou vodu zbavit nežádoucích příměsí. Jedním z nich je takzvaná převrácená osmóza. Slaná vody se pod vysokým tlakem prohání skrz membránu, která dovolí projít vodě, sůl ale zastaví a odfiltruje. Druhý z nich také užívá membránu. Sůl je třeba nejprve pomocí elektrickému proudu rozdělit na ionty, a poté je odfiltrovat pomocí speciální membrány. Oba způsoby jsou sice poměrně efektivní, vyžadují však příliš velké množství energie. Spojený tým amerických a čínských vědců v nedávné době přišel s dalším nápad, jak zabít ne dvě, ale hned tři mouchy jednou ranou. Klíč je ve velmi rafinovaném propojení čištění odpadní vody, výroby proudu a odsolování. „Bakterie nevyužijeme pouze k čištění odpadních vod, ale také k jejímu odsolování. Sůl z mořské vody totiž zlepšuje vodivost vody, a tím efektivnost článků. Proud však sůl rozkládá na ionty, které mohou být z vody filtrovány skrze membránu, a tak přispívat k jejímu odsolování,“ sdělil nedávno médiím Bruce Logan z Penn State University v Pensylvánii, který tým vedl. Vědci nyní pracují na řešení, jak odstranit dílčí problém. Celý proces totiž snižuje pH roztoku, což se bakteriím nelíbí. Doufejme jen, že si i s ním brzy poradí. Geniální nápad by mohl mít v budoucnu skutečně neuvěřitelně široké využití.
Jak bakterie získávají energii?
Být živý není jen tak. K tomu, aby jste jako živí tvorové dokázali udržet svá těla ve vysoce nepravděpodobném stavu, tedy daleko od termodynamické rovnováhy, musíte neustále investovat nemalou energii. Kde ji ale vzít? Organismům nezbývá nic jiného, než si ji vyrobit. Uvnitř i těch eukaryotních buněk nalezneme „ochočené“ bakterie – mitochondrie, jakési malé elektrárny. Jejich provoz je v detailech velmi složitý, princip je však poměrně jednoduchý. Stačí membrána, která oddělí vnitřní a vnější prostředí a „turbína“, ATP-syntetáza, která je poháněna rozdílem v elektrických potenciálech mezi vnitřkem a vnějškem (průchodem elektronu). Produkty těchto drobounkých elektráren zásobují chemické reakce uvnitř buňky potřebnou energií, rafinovaně uloženou ve vazbách mezi fosfátovými „ocásky“ v molekule adenosintrifosfátu (ATP). Abychom se však vrátili na začátek – každá buňka si musí opatřit látky, díky nimž rozdíl v elektrických potenciálech vznikne, tedy dárce a příjemce (donory a akceptory) elektronů. Specifikem anaerobních bakterií je, je za příjemce elektronů nemusí používat kyslík, ale řadu jiných prvků či skupin, jako jsou například dusičnany (NO3), sírany (SO4), síra (S), uran (U6+) či železo (Fe3+).
Jistota osminásobku
Aby se výroba energie prostřednictvím bakterií skutečně vyplatila, je třeba ještě řady dílčích vylepšení. Cesty k lepším výkonům bakteriálních článků vedou mnoha různými směry. Jedním z nich je vylepšit jejich celkovou konstrukci. Testují se především různé materiály, z nich jsou články vyrobeny, naděje je také vkládána do více porézních materiálů. „Nedávno se nám podařilo přimět bakterie, aby svou účinnost zvýšili 8x. Prorazili jsme tak hranici, před níž jsme se pohybovali několik posledních let, a to vše během pouhých pěti měsíců,“ neskrývá nadšení Američan Derek Lovley. A jak se to jeho týmu vlastně podařilo? Aby bakterie přinutili zbavovat se elektronů ještě efektivněji, dodávali do elektrody slaboulinký, asi jen 400 milivoltů silný „protináboj“. Touto simulací přírodního výběru se jim podařilo vypěstovat klony, které pracují s podstatně větší efektivitou. „Jsem si jistý, že budoucnu se objeví možnosti aplikace, které můžeme nyní pouze odhadovat,“ nenechává se ve svém nadšení pro bakteriální energii zviklat Lovley. Nezbývá než doufat, že mu budoucnost dá za pravdu.
Bakterie, které neprodukují CO2
Bakteriální energie zní jako úžasný nápad, má však přece jen nějaký ten háček. Jejím odpadním produktem je oxid uhličitý, který dělá vrásky na čele všem, kdo vědí o skleníkovém efektu, k němuž přispívá. Některé prokaryotické organismy však CO2 neprodukují, ale naopak spotřebovávají. Záměrně mluvíme o prokaryotických organismech, a nikoliv o bakteriích. Takový kousek se totiž daří nikoliv bakteriím, ale archebakteriím, zkráceně archeím. V přírodě žijí tito tvorečkové například v močálech nebo v zažívacím traktu přežvýkavců. Tým, vedený opět Brucem Loganem z Penn State University v Pensylvánii, nedávno objevil, že když se jim dodá slabounký elektrický proud, dokážou archea jeho prostřednictvím přeměnit vzdušný CO2 na metan. Metan je stejně jako CO2 také skleníkovým plynem, narozdíl od něj však může být spalován a využíván k výrobě energie. Při jeho spalování však zase vzniká CO2. „Kdybychom metan spalovali a oxid uhličitý zachytávali, byl by proces takzvaně CO2 neutrální,“ vysvětluje dr. Logan.
