A mikrobiális üzemanyagcella mikrobiológiája

2.4.1 Extracelluláris elektronokat termelő anyagcsere folyamatok

Ahhoz, hogy a mikrobiális energiacella működését teljes mértékben megérthessük, szükséges az alkalmazott mikrobakultúra fiziológiájának átfogó ismerete. Az anyagcsere utak ismeretében BOND és LOVLEY (2003) kutatatásaikban megállapították, hogy számos vas(III)­at redukáló baktérium képes közvetlenül, az anaerob anyagcseréje során, különböző anyagú és kialakítású elektródokat használni elektron­akceptorként. Ez annak a megfigyelésnek köszönhető, hogy a vas­redukáló baktériumoknál az elektron átadása a vas(III)­ionoknak megegyezik azzal a folyamattal, amely végbemegy a mikroba és az üzemanyagcella elektródja közt (FENG et al., 2013). Ezért a mikrobiális üzemanyagcella elektromos áramtermelő folyamatának megismerése céljából érdemes a mikrobiális vas(III)­redukció anyagcsere­folyamatait áttekinteni.

A mikroorganizmus energiatermelő anyagcsere folyamatai során az életműködés szempontjából fontos vegyületek (ATP, NADH, NADPH, stb.) meghatározott sztöchiometriai arányban képződnek, jól lehet a mikroorganizmus egyes életszakaszaiban az igények jelentős minőségi és mennyiségi eltérést mutatnak. Az energiaforrásként szolgáló ATP­képződést a redukálható koenzimek (NAD⁺, FAD⁺) mennyisége egyértelműen meghatározza. Tehát a redukált kofaktorok visszaoxidálhatósága az életben maradás elengedhetetlen feltétele. Ennek a problémának a feloldására különböző alternatív elektrontranszport­rendszerek szolgálnak.

Feladatuk a túlélés biztosítása, így közös jellemzőjük a dehidrogénezési folyamatok közben

megjelenő redukált kofaktorok regenerálása, lehetőleg toxikus peroxidok képződése nélkül.

Számos példát találunk a mikroszervezetekben az „anaerob légzésnek” nevezett kofaktor­

regenerálási folyamat működésére. Elektron­akceptorként szerepelhet anaerob körülmények között a nitrát, illetve a szulfát, valamint bármely redukálható fémion, így a három­értékű vasion is. Ilyen esetben a környezetben fellelhető elektron­akceptorként szolgáló vegyületekre kerül az anyagcsere során képződött „felesleges” elektron (SZENTIRMAI, 1996).

A vas(III)­redukáló baktériumfajok jellemzően obligát vagy fakultatív anaerob mikroorganizmusok. Közös jellemzőjük a széleskörű elektron­akceptor hasznosítási képesség (LENTINI et al., 2012), így a vas(III)­ionok redukálása is. Az elektron­akceptor minőségének függvényében többféle anyagcsere is lejátszódhat.

A vas­redukcióra képes mikroorganizmusok szénhidrátalapú energiatermelő metabolizmusa a glikolízis enzimes reakció­sorozatával veszi kezdetét. A keletkező piruvát dekarboxilezését követően az acetil­koenzimA a Szent­Györgyi­Krebs ciklusba kerül (ESTEVE­ NUNEZ et al., 2005; FREDRICKSON et al., 2008). Ezt követően a folyamat során keletkezett redukált koenzimek bekapcsolódnak az elektrontranszport rendszerbe, ami legfőképpen c­típusú citokrómot és menakinont (K2­vitamin) tartalmaz (GASPARD et al., 1998; LLOYD et al., 1999;

SEELIGER et al., 1998).

9. ábra: A Geobacter és Shewanella fajok Fe³⁺-ionokat használó légzési útjának terminális szakaszai (WEBER et al., 2006)

A vas­redukcióra képes mikroorganizmusok számos sejtfunkciója, mint a légzési elektron lánc is a citoplazma membránhoz kötődve működik. Oldható elektron­akceptorok, mint az oxigén molekula vagy a nitrát vegyületek, passzív diffúzió révén jutnak a sejtbe. Semleges körüli pH­n azonban a Fe(III) rosszul oldódik vízben, így nem képes a sejtbe diffundálni. A Gram­negatív baktériumoknak a vas(III) vegyületek redukciójához valamiképpen át kell hidalniuk az oldhatatlan fémionok és a citoplazma membrán elektrontranszport rendszere közti távolságot (LUU és RAMSAY, 2003). Shewanella putrefaciens MR­1 törzs vizsgálata során megfigyeltek c­típusú citokróm vegyületeket a mikroba külső membránjába ágyazva, melynek köszönhetően képes potenciális kapcsolatot létrehozni a nem oldatban lévő Fe(III) vegyületekkel. (BELIAEV et al., 2001; MYERS és MYERS, 1992, 1997) (9.ábra). Jól mutatja a membránba ágyazott c­típusú citokróm szerepét, hogy abban az esetben, amikor a Shewanella putrefaciens aerob körülmények között lett szaporítva, a citoplazma membrán citokróm tartalma nagy volt, míg anaerob környezetben inokulált tenyészet esetén, megközelítőleg a citokróm tartalom 80%­a a külső membránban helyezkedett el (MYERS és MYERS, 1992). Anaerob tenyészetek esetén megfigyelhető volt jelentős mennyiségű periplazmás citokróm, ami összeköttetésként szolgálhat a citoplazma membrán és a külső membrán elektron­transzport rendszerek között. Különböző

kutatások beszámoltak Shewanella putrefaciens törzsek külső membránjának vas(III)­reduktáz aktivitásáról, azonban ez az enzimaktivitás csak az anaerob körülmények között tenyésztett sejtek esetében volt megfigyelhető. GASPARD és munkatársai (1998) Geobacter sulfurreducens esetében is megfigyelték a vas(III)­reduktáz aktivitást a különböző membrán frakciókban, legfőképpen a külső membrán frakcióban. MAGNUSON és munkatársai (2000; 2001) szerint feltételezhetően ez a reduktáz­komplex c­típusú citokrómot tartalmaz és NADH koenzimre van szüksége a működéshez. Ez az enzim­komplex képes re­oxidálni Fe(III) jelenlétében a lebontást során keletkező redukált koenzimeket (NADH, NADPH és ferredoxin). Ez szintén arra utal, hogy ez csatornaként szolgál a belső elektron­rendszer és a külvilág között.

2.4.2 Az elektrontranszfer módjai

A mikroorganizmusok a szubsztrátumok lebontása során keletkező elektronokat a sejtfalukon kívülre juttatják. A mikroba azonban morfológiájától függően többféleképpen is eljuttathatja az elektródhoz az extracelluláris elektronokat.

Az elektrontranszfer módjait a sejtekről az elektród felületére a 10. ábra szemlélteti.

10.ábra: Elektronátadás módjai a mikrobasejt és az elektród közt (LOVLEY, 2008)

A legegyszerűbb elektronátadási mód (10. ábra, A) amikor a mikroba közvetlenül az elektródnak adja át az elektronját a külső membránjában lévő c­típusú citokróm fehérje segítségével. Ez a típusú elektrontranszport lehetővé teszi az üzemanyagcella kialakítását, viszont nehézkessé teszi az áramerősség növelését, mivel legfeljebb egy sejtsornyi réteg tud kialakulni az

Számos elektrogén mikroorganizmus rendelkezik olyan sejt­organellumokkal, melyek segítségével képes az extracelluláris elektronjait akár nagy távolságokra (1­2 µm) is eljuttatni (10.

ábra, B). Ezeket a sejtszerveket elektro­konduktív pílusoknak vagy nano­drótoknak (angolul nano­

wire) nevezik, melyek fehérje természetük ellenére jó elektromos vezetőképességgel rendelkeznek. A konduktív pílusok lehetővé teszik, hogy a mikrobák több rétegű biofilmet képezzenek, mivel nem csak közvetlenül az elektródhoz kapcsolt mikrobák képesek megszabadulni elektronjaiktól, hanem a távolabbi rétegek sejtjei is. Ez jelentősen megnövelheti a MÜC áramtermelését, teljesítményét és hatékonyságát.

A jellemző transzport folyamat az (10. ábra, C), ahol a biofilmet képző mikrobák c­típusú citokróm fehérjékben gazdag tokanyagot képeznek. A konduktív tokanyag közvetíti az elektronokat az elektródra. Az elektrontranszportnak ez a módja szintén lehetővé teszi, hogy nagyobb számú mikroba tudjon egy időben elektronokat leadni, így növelve az elektromos áramot és a cella teljesítményét. A túlzott tokanyag termelés azonban meggátolhatja a mikroba tápanyag ellátását.

A mikrobiális üzemanyagcella szempontjából kiemelt jelentőségűek azok a törzsek (10.

ábra, D), melyek képesek elektronközvetítő vegyület segítségével létrehozni az elektronátadást.

Ebben az esetben nem szükséges, hogy a mikroorganizmus közvetlenül az elektródhoz csatlakozzon, ami megnövelheti az üzemanyagcella flexibilitását. A közvetítő vagy más néven mediátor lehet a mikroba által termelt vegyület (pl. piocianin vagy flavin vegyületek) (BRUTINEL

és GRALNICK, 2012; VELASQUEZ­ORTA et al., 2011) vagy alkalmazhatunk mesterséges mediátorokat (metilén­kék, metil­vörös, rezazurin, stb.) (BABANOVA et al., 2011), melyek hatásosabb elektronátadást eredményeznek, azonban számos negatív tulajdonsággal is rendelkeznek (LOVLEY, 2008).