Колонізація Марса: схоже проблема з киснем і органікою вирішена.

2В закладки
Аудио

На Марсі чи Землі цей біогібрид може перетворити CO2 на нові корисні органічні продукти.

On Mars or Earth, biohybrid can turn CO2 into new products

Якщо люди колись сподіваються колонізувати Марс, переселенцям потрібно буде виробляти на планеті величезний асортимент органічних сполук — від пального до ліків, які надто дорого буде доставляти з Землі.

Проста модифікація системи з нановолокон і особливих бактерій дозволить в достатній кількості отримати органічні молекули і кисень з доступних на Марсі ресурсів.

Університети Каліфорнії, Берклі та Національна лабораторія Лоуренса Берклі (лабораторія Берклі) мають план що до цього.

Протягом останніх восьми років дослідники працювали над гібридною системою, що поєднує бактерії та нановолокна, що здатні вловлювати енергію сонячного світла для перетворення вуглекислого газу та води в будівельні блоки для органічних молекул. Нанопроводи (нановолокна) — це тонкі кремнієві нитки, товщиною приблизно одна сота діаметру людського волосся, використовувані як електронні компоненти, а також як сенсори та сонячні батареї.

«На Марсі близько 96% атмосфери — це CO2. В основному, все, що вам потрібно, це напівпровідникові кремнієві нановолокна, щоб поглинути сонячну енергію та передати її цим бактеріям, щоб почати хімічний процес», — сказав керівник проекту Пейдонг Янг (Peidong Yang), професор хімії, та керівник кафедри енергетики Анжела Чан (Angela Chan), обоє з Університету Берклі. «Для далеких космічних місій ви маєте обмеження у вазі корисного навантаження, а біологічні системи мають перевагу в тому, що вони самовідтворюються — вам не потрібно брати їх багато з собою. Тому наша біогібридна версія є надзвичайно привабливою».

Peidong YANG

«Єдина інша вимога, окрім сонячного світла, — це наявність води, яка на Марсі є у відносно достатніх кількостях у полярних крижаних шапках планети, і, ймовірно, також лежить замерзлою під поверхневим шаром ґрунту на більшій частині планети», — каже Янг, який працює старшим науковим співробітником лабораторії Берклі, та також є директором Інституту Kavli (Kavli Energy Nanoscience Institute).
«Цей біогібрид може також поглинати вуглекислий газ з повітря на Землі, щоб утворювати органічні сполуки, і одночасно боротися зі змінами клімату, що викликається надлишком вуглекислого газу CO2 у атмосфері Землі».

У новій статті, яка була опублікована 31 березня 2020 в журналі «Joule» (https://www.cell.com/joule/pdfExtended/S2542-4351(20)30093-3), дослідники повідомляють про новий рубіж в «упаковці» цих бактерій (Sporomusa ovata) у «ліс нановолокон-провідників» («екзоскелет») і досягнення рекордної ефективності: 3,6% !! сонячної енергії, що надходить, перетворюється і зберігається у вуглецевих зв’язках у вигляді двовуглецевої молекули під назвою ацетат: по суті — оцтової кислоти.
Молекули ж ацетату можуть слугувати будівельними блоками для ряду органічних молекул, від палив та пластмас, і до ліків. Багато інших органічних продуктів у майбутньому можуть бути виготовлені з ацетату, поміщеного у середину генно-модіфікованих організмів, таких як бактерії або ж дріжджі.

Пристрій для поглинання вуглекислого газу з повітря та перетворення його на корисні органічні продукти.
Ліворуч розташована камера, що містить нанoволоконний гібридний реактор, який поглинає CO2 для утворення ацетату.
Праворуч — камера, де виробляється кисень.

(Фото UC Berkeley від Peidong Yang)

Ця система працює так само як фотосинтез, який в природі рослини використовують для перетворення вуглекислого газу та води на вуглецеві сполуки, переважно цукор та вуглеводи. Однак рослини мають досить низьку ефективність, як правило перетворюючи менше половини відсотка (0.5%) сонячної енергії у сполуки вуглецю.

Коли Янг та його колеги вперше продемонстрували бактеріє-нанoволоконний гібридний реактор п’ять років тому, ефективність перетворення сонячної енергії становила лише близько 0,4% — що є порівняльна з рослинами, але все ще низька, порівняно з типовою ефективністю для кремнієвіх сонячних батарей, що перетворюють 20% світла, або більше, в електрику. Янг був одним з перших, хто близько 15 років тому перетворив нановолокна на сонячні батареї.

Успіх? Так. Однак вчені не поспішали святкувати перемогу. Спочатку дослідники намагалися підвищити ефективність системи, запакувавши більше бактерій у «ліс нановолокон-провідників», які передають електрони безпосередньо бактеріям для активації хімічної реакції. Чудо-бактерії виявилися занадто волелюбними — вони відокремилися від нанопроводів, розірвавши ланцюг. У клітці з волокнами їм заважало жити кисле середовище – результат виробництва ацетату.

Дослідники штучно підвищили рН середовищe до більш нейтрального, і збільшили термін перебування бактерій в кремнієвій «в’язниці» до тижня. В результаті ефективність гібридної системи зросла до 3,6%, тобто майже в 10 разів!

У цьому конкретному експерименті нановолокна використовувались лише як електропровідники, а не як сонячні поглиначі. Зовнішня сонячна панель забезпечувала систему електроенергією.

Електрона мікрофотографія нанoволоконного гібридного реактору, що працює при оптимальній кислотності рН, щоб бактерії щільно упаковувались навколо нанопроводів.
Щільніша упаковка забезпечує більш ефективне перетворення сонячної енергії у вуглецеві зв’язки.

Шкала дорівнює 1/100 міліметра, або 10 мкм.
(UC Berkeley image by Peidong Yang)

В реальнiй системі нановолокна будуть поглинати енергію сонця, генерувати електрони і доставляти їх «до столу»для бактерій, що харчуються вуглекислим газом. Бактерії поглинають електрони і, подібно до того як рослини створюють цукри, перетворюють дві молекули вуглекислого газу та воду в ацетат та кисень.

«Ці кремнієві нановолокна по суті схожі на антени: вони поглинають фотони світла так само, як і сонячна панель», — сказав Янг.

«В межах кремнійєнових нановолокон вони будуть генерувати електрони і подавати їх бактеріям. Ну а бактерії потім поглинають вуглекислий газ і хімічною реакцією перетворюють його в ацетат.
Кисень є побічним продуктом, і на Марсі він може поповнювати штучну атмосферу колоністів, яка би імітувала 21% кисневого середовища Землі. Єдине, що потрібно, крім вуглекислого газу, це вода. На Марсі її повно в крижаних шапках і під ґрунтом на більшій частині планети.»

Система Янга є порівняна з рослиною, яка найкраще перетворює CO2 в цукор: це цукрова тростина, яка має 4-5% ефективності.
Янг також працює над системами для ефективного виробництва цукрів та вуглеводів із сонячного світла та CO2, що потенційно можуть забезпечити рослинною їжею колоністів Марса.

Зараз вчені працюють над генною модифікацією організмів, здатних перетворювати ацетат в дріжджі. Інший напрямок досліджень – роботизація бактерій. Квантові точки, вбудовані в їх мембрани, зможуть поглинати сонячне світло і виділяти електрони. Cамостійний видобуток електронів позбавить бактерії від необхідності носити кремнієві “екзоскелети” з нановолокон.

Дослідження підтримується грантом НАСА — Центру використання біологічної інженерії в космосі (CUBES), що є координатором робіт багатьох університетів по розробці методів біовиробництва в космосі.

Співавторами статті є нинішні чи колишні студенти UC Berkeley: Юде Су, Стефано Честеллос-Бланко та Джі Мін Кім (Yude Su, Stefano Cestellos-Blanco and Ji Min Kim), які внесли однаковий внесок у роботу; та аспіранти Юе-Kcяо Шен, Цяо Конг, Ділан Лу, Чонг Лю, Хао Чжанг та Юхонг Цао (Yue-xiao Shen, Qiao Kong, Dylan Lu, Chong Liu, Hao Zhang and Yuhong Cao).

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

8
Войдите, чтобы видеть ещё 26 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Джон Инспракер
Вечность назад

Ага, самому траплялося це повідомлення і зацікавило. Думав був перекласти, та робота тоді відволікла. Дякую за якісний переклад. По суті справи зауважу, що ми тут, в АЦ, переважно фізико-технічні технарі і мало приділяємо уваги біотехнологічним аспектам загального процесу експансії. А біотехнології зараз є лідером наукового фронтіру. Згадаймо повідомлення про декілька компаній, що працюють над комерційним виходом "їжі з повітря". Там схожі процеси, тільки не на отримання О2 чи сировини для оргсинтезу налаштовані, а на продукування самої біомаси, яка стає основою будь-якої синтетичної їжі. Комплексна реалізація цієї "солодкої парочки" радикально переверне самі концепції позаземних анклавів людства

Starman
Вечность назад

Была критика от Сергей Бойко при первой публикации два дня назад. Публикация была дополнительно отредактирована. Сергей Бойко 1 день назад Ацетат або оцтова кислота.. «Ацетат» — это не «уксусная кислота», это соединение, на ее основе. См. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%86%D0%B5%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8B И их до черта, хороших и разных. Зараз вчені працюють над генною модифікацією організмів, здатних перетворювати ацетат в дріжджі. ОГО! Ученые пытаются создать микроорганизмы, способные самостоятельно создавать микроорганизмы другого вида? Бог в помощь!.. Короче, IMHO, статья какая-то левенькая, потому как безграмотная, те более, размещена на непрофильном сайте, то ли переводчик у них бестолковый, то ли оригинал фейковый.

Пол Атрейдес
Вечность назад

https://news.berkeley.edu/2020/03/31/on-mars-or-earth-biohybrid-can-turn-co2-into-new-products/ https://www.cell.com/joule/pdfExtended/S2542-4351(20)30093-3 “Electrochemically scrambled nanocrystals are catalytically active for CO2-to-multicarbons”, Yifan Li, Dohyung Kim, Sheena Louisia, Chenlu Xie, Qiao Kong, Sunmoon Yu, Tom Lin, Shaul Aloni, Sirine C. Fakra, Peidong Yang. PNAS, in press (2020) Highlights Close-packed bacteria-nanowire hybrids achieved Microbial CO2 - reducing current density boosted to 0.65 mA cm −2 COMSOL simulation explains the nanowire-cell interactions under different pH conditions A 3.6% solar-to-acetate efficiency realized over 1 week Summary Microbial electro- and photo-electrochemical CO2 fixation, in which CO2 - reducing microorganisms are directly interfaced with a cathode material, represent promising approaches for sustainable fuel production. Although considerable efforts have been invested to optimize microorganism species and electrode materials, the microorganism-cathode interface has not been systematically studied. Here, investigation of the interface allowed us to optimize the CO2 - reducing rate of silicon nanowire/ Sporomusa ovata system. Tuning the bulk electrolyte pH and increasing its buffering capacity supported the formation of a close-packed nanowire-bacteria cathode. Consequently, the resulting close-packed biohybrid achieved a CO2-reducing current density of ∼0.65 mA cm −2. When coupled with a photovoltaic device, our system enabled solar-to-acetate production with ∼3.6% efficiency over 7 days.

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.