Бактерии

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 10236 (2022) Цитировать эту статью

3100 Доступов

1 Цитаты

18 Альтметрика

Подробности о метриках

Достижение углеродной нейтральности требует разнообразных технологических подходов. В настоящем исследовании мы подтвердили применимость системы углеродного цикла в нескольких отраслях промышленности с использованием сероокисляющих бактерий. Эта система производит азотные удобрения, которые снижают выбросы углерода за счет переработки загрязняющих веществ H2S и NH3, сбрасываемых в атмосферу или сточные воды. В промышленных областях это следует рассматривать как стратегию сокращения выбросов углекислого газа.

Сокращение выбросов парниковых газов, несомненно, является задачей, которую должен решить каждый в эту эпоху для непрерывного развития человечества. Многочисленные исследования изучали способы достижения эффективного углеродного цикла путем переработки CO2, парникового газа с наибольшим выбросом, для замены обычных продуктов на основе нефти. Такие технологии конверсии CO2 в широком смысле делятся на химическую и биологическую конверсию, включая термическую каталитическую, электрохимическую и фотохимическую конверсию, в зависимости от метода производства энергии, причем последняя в основном предполагает использование света, водорода и электричества в качестве источника энергии1. Эти методы в основном основаны на технологическом развитии при условии поставок возобновляемой энергии для использования энергии солнечного света, ветра и геотермального тепла. Однако в регионах с недостаточным уровнем возобновляемой энергетики существует предел использования таких технологий для снижения выбросов CO2.

Чтобы решить эту проблему, была предложена новая система эффективного углеродного цикла, при которой химическая энергия отходов используется для сокращения выбросов CO2 и производства экологически чистого сульфата аммония. Система основана на базовой технологии, в которой применяются сероокисляющие бактерии (SOB), хемолитотрофы, которые фиксируют CO2 по пути CBB, используя восстановленную серу в качестве источника энергии. Среди трех известных типов (ацидофилы, нейтрофилы и алкалифилы) наиболее широко изучен род Acidithiobacillus, который применяется в области биодобычи2.

Ацидитиобациллы могут выжить при pH 0,5, что позволяет напрямую поставлять CO2 из дымовых газов в качестве источника углерода. Лабораторные испытания показали дополнительную выгоду от удаления оксидов серы (SOx) и небольшого количества оксидов азота (NOx) через биореактор (дополнительный рисунок 1). Рост микробов активен даже при высокой концентрации (14–15%) раствора аммиака и используется в качестве регулятора pH, что делает его пригодным для производства биологического сульфата аммония (БАС). В оптимизированной культуральной системе с реактором непрерывного действия с мешалкой (рис. 1а, б) использование биосеры в качестве источника энергии приводит к степени конверсии CO2 8,8–10,4 г/л/сут и производству сульфата аммония 28–65 г. /Л. Скорость конверсии CO2 была немного ниже (5,6–6,3 г/л/сут), когда в качестве источника энергии использовалась химическая сера, возможно, потому, что химическая сера имеет крупные гидрофобные частицы, которые относительно трудно усваивать бактериям. Напротив, частицы биосеры мелкие и гидрофильные. SOB, использованный в этом исследовании, представлял собой штамм AZ11, выделенный из почвы для устранения H2S Lee et al.3. Анализ последовательности хромосомной ДНК показал, что AZ11 представляет собой новый вид с гомологией менее 82% с известными видами Acidithiobacillus (дополнительный рисунок 2). . Скорость конверсии CO2 с использованием этого нового вида была в шесть-семь раз выше, чем у наиболее известных цианобактерий, что указывает на более высокую скорость, чем у любого другого зарегистрированного штамма в системе непрерывной биологической конверсии CO24.

Прямая конверсия СО2 сероокисляющими бактериями и ее применение в различных отраслях промышленности. (а) Оптимизированные условия культивирования в лабораторном масштабе. (б) Скорость конверсии CO2 сероокисляющими бактериями (SOB) в реакторе непрерывного действия с мешалкой (CSTR). (c) Система углеродного цикла, предложенная в нефтехимической промышленности и (d) в промышленности анаэробного сбраживания. Черные стрелки указывают на традиционную систему, а зеленые пунктирные стрелки указывают на новые процессы.