„Chen ir kt. praneša apie mikroorganizmų, kurie naudoja sulfidų oksidacijos ir geležies oksido redukcijos energiją anglies fiksacijai skatinti, atradimą (S.-C. Chen ir kt. Nature https://doi.org/g9zqq2; 2025).
Mūsų nuomone, šie mikrobai (žinomi kaip MISO organizmai [1]) galėtų būti naudojami tvarioje biotechnologijoje.
Dabartinės bioapdorojimo sistemos naudoja brangias organines žaliavas, tokias kaip cukrus. Tačiau dėl neįprastos medžiagų apykaitos MISO organizmams tokių medžiagų nereikia. Jie galėtų gaminti tokius produktus kaip biokuras, bioplastikas ir vaistai anglies dioksido požiūriu neutraliu būdu, fiksuodami, o ne gamindami anglies dioksidą.
Norint panaudoti MISO organizmus biotechnologijoms, kiti žingsniai turėtų apimti efektyvių būdų, kaip manipuliuoti šių rūšių genais, optimizavimą biotechnologinėms reikmėms ir patobulintų medžiagų apykaitos pajėgumų kūrimą pramoninio masto gamybai (J. M. López ir kt. Nature Rev. Microbiol. 20, 35–48; 2022). Norint išspręsti šiuos iššūkius, reikia „sintetinių biologų, medžiagų apykaitos inžinierių ir mikrobiologų bendradarbiavimas. Sėkmė galėtų lemti tvarių biotechnologinių platformų, kurios vienu metu užtikrintų atliekų perdirbimą, anglies dioksido neutralumą ir cheminių medžiagų gamybą, sukūrimą.“ [2]
1. MISO bakterijos (mikrobinė geležies oksido redukcija ir sulfido oksidacija) yra naujai atrasta mikroorganizmų grupė, įskaitant tokias rūšis kaip Desulfurivibrio alkaliphilus, kurios „kvėpuoja“ geležies(III) oksido mineralais, oksiduodamos toksišką sulfidą, kad gamintų energiją. Jos randamos jūros nuosėdose ir pelkėse, jos fiksuoja CO2 augimui, detoksikuoja sulfidą ir atlieka svarbų vaidmenį pasauliniuose anglies ir sieros cikluose.
Pagrindinė informacija apie MISO bakterijas:
• Metabolizmas: Šios bakterijos naudoja naujai atrastą metabolizmą, kuris sujungia kieto geležies(III) oksido redukciją su sulfido oksidacija į sulfatą, veikdamos kaip greitesnė alternatyva cheminėms reakcijoms.
• Anglies fiksacija: Jos yra chemolitoautotrofai, naudojantys šios redokso reakcijos energiją neorganinei angliai (CO2) fiksuoti į biomasę.
• Poveikis aplinkai: MISO bakterijos randamos jūros nuosėdose ir pelkėse, kur jos padeda išvengti deguonies neturinčių „negyvų zonų“ plitimo, pašalindamos toksišką vandenilio sulfidą.
• Reikšmė: Šis metabolinis kelias yra susijęs su geležies redukcija, o tyrimai rodo, kad jį naudoja įvairios prokariotinės filos.
• Biotechnologija: Dėl unikalių metabolinių gebėjimų šie mikroorganizmai yra perspektyvūs tvariai, anglies dioksido požiūriu neutraliai biotechnologijai.
Desulfurivibrio alkaliphilus buvo specialiai identifikuota kaip bakterija, galinti redukuoti ferihidritą oksiduodama sulfidą, naudodama kelią, kuriame dalyvauja daugiaheminiai c tipo citochromai.
Kaip būtų galima organizuoti gamybos procesą, naudojant MISO organizmus? Palyginkite galutinio produkto kainą šiuolaikinėse biotechnologijose ir, MISO pagrindu sukurtose, technologijose.
Gamybos procesai, naudojantys mikrobinę geležies oksido redukciją ir sulfido oksidaciją (MISO), yra nauja, ekologiška biotechnologija, skirta pašalinti toksiškus sulfidus, valyti nuotekas ir potencialiai gaminti biocheminius produktus, susiejant sieros oksidaciją su geležies redukcija. Šis procesas, kurio pradininkai buvo tyrėjai, tyrinėjantys tokius organizmus kaip Desulfurivibrio alkaliphilus, naudoja Fe(III) oksidus („rūdis“) kaip elektronų akceptorius, kad sulfidas būtų tiesiogiai paverstas sulfatu.
MISO pagrindu sukurto gamybos proceso organizavimas
MISO pagrindu sukurtas gamybos procesas gali būti suprojektuotas kaip inžinerinė, didelio efektyvumo, anaerobinė arba fakultatyvi anaerobinė sistema.
• Substrato žaliava: procesui reikalingas redukuotų sieros junginių (pvz., vandenilio sulfido arba FeS) ir geležies(III) oksidų šaltinis.
• Nuotekos arba dumblas iš pramoninių, nuotekų ar kasybos šaltinių (rūgštinio kasyklų drenažo) gali būti nebrangi žaliava.
• Bioreaktoriaus konstrukcija:
o Kietojo kūno / kolonėlės reaktorius: Užpildyto sluoksnio reaktoriuose užsodintas smėlis arba kieta terpė, padengta geležies oksidu, gali palengvinti MISO bakterijų augimą.
o Užpildyto sluoksnio arba aukštyn srauto anaerobinio dumblo sluoksnio (UASB) reaktoriai: Jie tinka skystų atliekų srautams, kuriuose yra ištirpusio sulfido, valyti, o geležies oksidai tiekiami kaip kietosios dalelės.
• Pagrindiniai mikrobiniai agentai: Desulfurivibrio alkaliphilus ir panašūs mikroorganizmai, kurie naudoja tarpląstelinį elektronų perdavimą (EET), kad sujungtų sieros oksidaciją su geležies redukcija.
• Proceso sąlygos: Reakcija vyksta anoksinėmis sąlygomis, dažnai naudojant geležies oksido nanodaleles, kad sulfidas oksiduotųsi greičiau.
• Pagrindinės operacijos:
1. Sulfidų kontrolė: Bakterijos toksišką sulfidą paverčia sulfatu, taip sumažindamos aplinkos užterštumą.
2. Geležies perdirbimas: Redukuotas Fe(II) gali būti reoksiduojamas į Fe(III) (pvz., cheminiais arba biologiniais aerobiniais procesais), kad būtų galima vykdyti ciklinį procesą.
3. Produkto išgavimas: Galimi produktai yra sulfatas, siera ir potencialiai biomasė arba specifiniai biocheminiai produktai, kuriuos bakterijos sukuria fiksuodamos 𝐶𝑂2.
Produkto kainos palyginimas: MISO pagrindu pagamintas ir šiuolaikinės biotechnologijos
Pastaba: MISO yra naujai atrastas procesas (2025 m.), o konkrečių, didelio masto pramonės ekonominių palyginimų literatūroje dar nėra. Toliau pateikta informacija pagrįsta bendromis pramonės biotechnologijų tendencijomis. Šiuolaikinės biotechnologijos: MISO pagrindu sukurtos biotechnologijos (numatomos)
Žaliavos kaina: didelė (pvz., gliukozė, specializuotos terpės), labai maža (pvz., atliekos, sulfidas, rūdys/geležies oksidas),
Energijos sąnaudos: didelės (aeravimas, maišymas, kaitinimas), mažos (dažnai anaerobinės, aplinkos temperatūra),
Eksploatavimo išlaidos: vidutinės arba didelės (sterilizavimas, sudėtingos terpės), mažesnės (paprastos, potencialiai nepertraukiamos),
Kapitalo investicijos: didelės (nerūdijančio plieno talpyklos), vidutinės (panašios į įprastus reaktorius arba šiek tiek mažesnės),
Atliekų tvarkymo išlaidos šalinimui: potencialus vertės padidėjimas,
Kainų analizė:
• MISO potencialas: MISO procesai gali žymiai sumažinti išlaidas, nes naudojamos atliekos ir sumažinamas energijos poreikis. Galimybė naudoti Fe(III) oksidus (rūdis) kaip pigų elektronų akceptorių galėtų padaryti šį metodą konkurencingesnį specializuotoje cheminių medžiagų arba atliekų perdirbimo į produktus gamyboje.
• Šiuolaikinės biotechnologijos sąnaudų struktūra: Dabartiniai procesai, ypač tie, kuriuose naudojami monokloniniai antikūnai arba sudėtingi vaistai, yra brangūs, o joms didelę įtaką daro sterilios sąlygos ir brangios terpės. • Išvada: Tikimasi, kad MISO pagrįsta technologija bus ekonomiškai efektyvesnė nuotekų valymui ir birių junginių gamybai, potencialiai siūlydama pigesnę ir tvaresnę alternatyvą įprastinei, energiją vartojančiai fermentacijai.
2. Microbe discovery holds promise for sustainable biotechnology. Nature 646, 288 (2025) By Jie Li, Shuwen Liu, Hao Song & Shiming Ding
2. Microbe discovery holds promise for sustainable biotechnology. Nature 646, 288 (2025) By Jie Li, Shuwen Liu, Hao Song & Shiming Ding
Komentarų nėra:
Rašyti komentarą