Möglig mat, smutsigt toalettvatten och påsar med sopor. Vad har dessa äckliga saker gemensamt? Små encelliga mikrober som kallas bakterier älskar dem. Dessa bakterier är för små för att se med dina ögon, men de lever runt omkring dig. Bakterier slog läger i avloppsrör, dammar och smuts. De lever också i ditt hus, på din mat, i din mun och i din tarm. Vissa av dessa bakterier gör dig sjuk. Därför är det viktigt att tvätta händerna efter att ha gått på toaletten eller tagit ut soporna.
Många är rädda för bakterier. Men de brukar inte orsaka några problem alls, konstaterar Anthony Tong. Han är kemist vid Kanadas Acadia University i Wolfville, Nova Scotia. “De rensar faktiskt upp allt organiskt avfall som människor skapar på planeten”, säger Tong. (Med organiskt hänvisar han till kemikalier som innehåller de grundläggande byggstenarna för livet på jorden – särskilt kol.) Bakterier kommer att mumsa igenom sådant avfall på egen hand. Men människor kan också sätta dessa hungriga insekter att arbeta i miniatyrfabriker. Och till skillnad från mänskliga anställda, vilar bakterier aldrig.
En anordning som körs på bakterier kallas en bioreaktor. Tong och hans medarbetare utvecklar till exempel bioreaktorer för att rengöra smutsigt vatten. Vissa av dessa små fabriker producerar användbara produkter, som bränsle eller kemikalier. Andra – kallade mikrobiella bränsleceller – omvandlar avfall till elektricitet.
Alla dessa system utnyttjar bakterier för att förvandla avfall till saker som människor behöver. Men bakterier har potential att arbeta ännu hårdare än de redan gör. Forskare kan mixtra med en mikrobs gener – koderna som talar om för den hur den ska växa och bete sig – för att göra den starkare. Forskare lär sig också att tala mikrobernas språk. Detta kommer att göra det möjligt för ingenjörer att rekrytera olika arter för att arbeta tillsammans i ett mikrobiellt löpande band.
Forskare hoppas kunna använda bioreaktorer för att få fram det bästa i bakterier. Buggarna kan bli hjälpsamma och produktiva arbetare istället för läskiga, äckliga bakterier.
Älskar det smutsiga vattnet
Avloppsvatten innehåller två typer av föroreningar: kemikalier och bakterier. Om någon av dem flyr ut i floder och vattendrag kan det göra människor och vilda djur sjuka. För att förhindra det lägger Tongs team faktiskt till fler mikrober i vattnet och håller dem inne i en bioreaktor. Varför skulle du lägga till bakterier i smutsigt vatten? Tong förklarar, “Vi använder en dålig sak för att döda den andra dåliga saken.”
Många städer och städer runt om i världen använder redan denna teknik. När människor i den lilla kanadensiska staden Cookville i Nova Scotia duschar, spolar sina toaletter eller tvättar händerna rinner det smutsiga vattnet genom en av dessa enheter.
För att hålla enheten igång måste ingenjörer se till att mikroberna är bekväma. Om vattnet är för varmt eller för kallt kanske de inte trivs. Dessutom, om vattnet rinner förbi dem för snabbt eller inte cirkulerar tillräckligt, kanske bakterierna inte hittar och bryter ner alla dåliga kemikalier.
För att ytterligare komplicera saker och ting, många olika typer av bakterier finns. Var och en har sina egna favoritförhållanden och sin egen favorit “mat” – kemikalierna den behöver för att leva och växa. När avloppsvattnet innehåller massor av en favoritmat, arrangerar mikroberna en fest. De slukar tills maten är borta. Men en del vatten kanske inte innehåller någon mat som de gillar. Då kommer arbetarbakterierna att dö. Tong och hans team måste matcha föroreningarna i avloppsvattnet med rätt mikrobiella arbetare. En framgångsrik membranbioreaktor håller sina små arbetare så glada och friska som möjligt. Sedan kan forskarna ta ett steg tillbaka och låta bakterierna arbeta, förklarar Tong.
Just nu tar hans team ett stort problem. Läkemedel hamnar ofta i floder, bäckar och hav. När du tar ett piller, absorberas en del av läkemedlet i din kropp för att hjälpa dig att må bättre. Mycket av det rör sig dock genom din kropp och avlägsnas, eller utsöndras
, i urin. De flesta anläggningar som renar avloppsvatten har inte ett sätt att hantera utsöndrade droger. Så dessa kemikalier förorenar miljön. Tong hoppas att hans team kan bygga en membranbioreaktor som kommer att rensa alla spår av sådana läkemedel från avloppsvatten.
Kraft från kiss
Man kan göra mer med avloppsvatten än att bara rensa det, säger Daniel Hassett. Mikrober kan förvandla smutsigt vatten till elektricitet, konstaterar den här mikrobiologen vid University of Cincinnati i Ohio. Hassett uppfann en enhet i storlek med basebollträ som kallas en mikrobiell bränslecell. Det är som ett batteri fyllt med mumsande mikrober som lever inuti det och skapar elektricitet.
“Bakterier tar inte semester”, säger Hassett. “De bara äter och äter och äter och äter och äter.” När de äter ändrar reaktioner inuti deras kroppar maten till nya kemikalier. Denna process genererar energi. En bränslecell omvandlar den energin till en form som människor kan använda, till exempel elektricitet. För att hålla en mikrobiell bränslecell igång behöver du bara mata bakterierna. Hassetts team har byggt mikrobiella bränsleceller som drivs på smutsigt vatten, matavfall och till och med mänsklig urin!
Kraff från kiss verkar vara magi. (Faktum är att vissa forskarlag redan sätter igång det.) Så varför har inte alla en mikrobiell bränslecell inuti sin toalett som fångar kiss och förvandlar den till elektricitet? Problemet: Den här tekniken är inte tillräckligt bra ännu. Vanliga batterier ger mycket mer elektricitet än mikrobiella bränsleceller.
Men Hassett och andra forskare arbetar för att öka bränslecellernas produktion. Ett sätt är att förbättra arbetarna. De kan förändra en bakteries gener för att göra den bättre på en specifik uppgift. Det här är nästan som att ge buggen superkrafter.
Varför är dessa superbuggar så kraftfulla? En skillnad är att de har många fler små hårstrån, kallade pili. Dessa hårstrån gör att de kan fastna på en yta, vilket hjälper till att skapa en grupp. Inuti en bränslecell, denna grupp — eller biofilm— bildas på en metallyta som leder elektricitet. När mikroberna mumsar iväg frigörs subatomära partiklar som kallas elektroner. Vanligtvis kommer elektronerna som bakterier släpper ut när de matas att fly ut i miljön. Men inuti bränslecellen färdas de nerför pili till metallytan där de skapar en elektrisk ström. Ju mer pili bakterierna har, desto fler elektroner kan enheten fånga. Och det betyder ju mer elektricitet den kan producera.
Bioreaktorn för membranet och den mikrobiella bränslecellen är båda beroende av en komplicerad anordning för att hysa de små arbetarna. Vissa bioreaktorer behöver dock inte något fint hus. Ofta räcker det med ett gigantiskt kar fullt av bakterier fyllt med maten. Till exempel innehåller mycket bensin i USA etanol, en typ av bränsle gjord av majs. Många fabriker blandar helt enkelt mosad majs med bakterier i stora kar. Sedan väntar de på att de hungriga bakterierna ska förvandla sockerarter i majsen till etanol, en typ av alkohol. Detta är också en typ av bioreaktor.
Mini monteringslinjer
Etanolbioreaktorer innehåller bara en typ av bakterie. Och det löser bara ett jobb. Biofilmerna i Hassetts bränsleceller innehåller också bara en sorts bakterie: superbuggen han skapade. Han planerar att bygga fler nya buggar som kan slå sig samman. Varje art skulle ha en annan superkraft. En kanske fokuserar på att bryta ner en del avfall medan en annan kan producera el. En sådan gemenskap av specialiserade arbetare skulle kunna hjälpa honom att producera 10 gånger den kraft som bara en typ av mikrober kunde.
Andra forskare vill också rekrytera olika arter av bakterier till en biofilm. Men istället för el syftar de till att producera kemikalier som människor behöver. I naturen bildar bakterier hela tiden biofilmer. En slemmig sten i en flod är täckt med biofilmer. Den vita smutsen på dina tänder när du glömmer att borsta är också en biofilm.
Om forskare kunde välja och vraka vilka bakterier som ska växa inuti en biofilm, skulle de kunna skapa ett löpande band i miniatyr. Till exempel kan en bakterie livnära sig på ruttnande mat och producera sockerarter. Sedan kan en annan insekt äta dessa sockerarter och producera succinat . Denna kemikalie är en nyckelingrediens i produktionen av vissa parfymer och mediciner.
För närvarande tillverkar människor kemikalier i stora fabriker som kan vara lika stora som ett stadskvarter eller större. En biofilmsfabrik skulle kunna producera samma kemikalier på ett mycket mindre utrymme. Och det kan hjälpa till att bli av med en stads sopor samtidigt. Detta kan spara energi samtidigt som det ger mindre föroreningar än en vanlig fabrik.
Men det är inte lätt att få bakterier att samarbeta. Forskare har ännu inte byggt en biofilmsfabrik som faktiskt kan ta in sopor, skicka det genom ett löpande band och spotta ut i andra änden någon kemikalie den där människor kan använda sig av.
Chatta med bakterier
För att få bakterier att samarbeta , behöver biokemister lära sig sitt språk. I naturen “pratar” bakterier med varandra med hjälp av kemikalier. De använder dessa signaler för att tala om för varandra när de ska bilda en biofilm och när de ska lämna ett samhälle.
Arul Jayaraman, en kemiingenjör vid Texas A&M University i College Station, var en av de första som använde detta kemiska språk för att kontrollera biofilmer. Hans team gjorde jobbet enklare genom att arbeta med bara en typ av mikrober. De modifierade dess gener så att den alltid skickade ut samma signal, om och om igen: “Skross upp och simma iväg.”
Jayaramans team skapade också en annan ny typ av bakterie som alltid lyssnade efter denna signal . Biofil ms gjorda av de lyssnande bakterierna bröts isär närhelst de upptäckte signalen.
Jayaraman Res. Grupp
Forskarna testade också signaler som fick bakterier att gå med i en biofilm.
Den här forskningen syftar till att kontrollera vilka typer av bakterier som sätter sig i en biofilm. Förklarar Jayaraman, “Vi kan designa dessa gemenskaper och blanda dem på olika sätt.” Hans team av mixmästare kan säga åt en bakterie att flytta in eller packa ihop och lämna.
När forskare kan kontrollera biofilmer kan de använda dem för att producera nästan vilken kemikalie som helst som människor behöver. Framtida blandningsmästare skulle kunna sätta upp små fabriker med monteringsband av superbuggarbetare. De kan mata insekterna med smutsigt vatten, sopor eller till och med kissa. Dessa muck munchers kunde städa upp planeten samtidigt som de producerar saker som människor behöver – från viktiga kemikalier och rent vatten till elektricitet. Ingenjörer har redan byggt urinaler med mikrobiella bränsleceller inuti. Mikroberna äter upp urin och gör tillräckligt med energi för att driva en glödlampa. Föreställ dig bara – en dag kan hela ditt hus få sin elektricitet från mikrober som smuttar på toalettvatten och mumsar sopor.
Alla bioreaktorer innehåller levande samhällen. Ingen annan teknik vi förlitar oss på idag lever, äter eller andas. Men mikrober inuti bioreaktorer gör alla dessa saker. En dag kanske dessa små bakterier inte längre får människor att krypa ihop sig. Istället skulle de kunna hjälpa till att driva vår värld på ett säkert och rent sätt.
Maktord
(för mer om Power Words, klicka här)
bakterie (plural bakterie) En encellig organism. Dessa lever nästan överallt på jorden, från havets botten till inuti djur.
biofilm En sliskig gemenskap av olika typer av mikrober som i huvudsak limmar sig på en fast yta. Att leva i en biofilm är ett sätt som mikrober skyddar sig mot stressande ämnen (som gifter) i sin miljö.
bioreaktor En maskin i vilken mikrober eller andra levande varelser utför arbete eller producerar något som bränsle eller kemikalier.
kemikalie Ett ämne bildat av två eller flera atomer som förenas (blir sammanbundna) i en fast proportion och struktur. Till exempel är vatten en kemikalie gjord av två väteatomer bundna till en syreatom. Dess kemiska symbol är H2O.
kemisk reaktion A process som involverar omarrangering av molekylerna eller strukturen hos ett ämne, i motsats till en förändring i fysisk form (som från ett fast ämne till en gas).
elektrisk ström Ett laddningsflöde, kallat elektricitet, vanligtvis från rörelsen av negativt laddade partiklar, kallade elektroner.
elektron En negativt laddad partikel, vanligen påträffad kretsande kring de yttre områdena av en atom; också bärare av elektricitet inom fasta ämnen.
ingenjör En person som använder vetenskap för att lösa problem. Som verb, till ingenjör betyder att designa en enhet, ett material eller en process som kommer att lösa något problem eller ouppfyllt behov.
etanol En typ av alkohol, även känd som etylalkohol, som fungerar som bas för alkoholhaltiga drycker, såsom öl, vin och destillerad sprit. Det används också som bränsle, ofta blandat med bensin, till exempel.
exkret För att ta bort slaggprodukter från kroppen, till exempel i urinen.
bränslecell En enhet som omvandlar kemisk energi till elektrisk energi . Det vanligaste bränslet är väte, som bara avger vattenånga som en biprodukt.
gen (adj. genetisk) Ett DNA-segment som kodar, eller innehåller instruktioner, för att producera ett protein. Avkommor ärver gener från sina föräldrar. Gener påverkar hur en organism ser ut och beter sig.
grodd Vilken encellig mikroorganism som helst, såsom en bakterie, svampart eller viruspartikel. Vissa bakterier orsakar sjukdomar. Andra kan främja hälsan hos organismer av högre ordning, inklusive fåglar och däggdjur. Hälsoeffekterna av de flesta bakterier är dock fortfarande okända.
membran En barriär som blockerar passagen (eller genomströmningen av) vissa material beroende på deras storlek eller andra egenskaper. Membran är en integrerad del av filtreringssystem. Många tjänar den funktionen på celler eller organ i en kropp.
mikrob Förkortning för mikroorganism. En levande varelse som är för liten för att se med blotta ögat, inklusive bakterier, vissa svampar och många andra organismer som amöbor. De flesta består av en enda cell.
mikrobiell bränslecell En enhet som förlitar sig på mikrober för att initiera kemiska reaktioner för att generera elektricitet. Dessa enheter kan använda avfallsmaterial, inklusive avloppsvatten och gödsel, för att producera energi rent. (se även bränslecell)
mikrobiologi Studiet av mikroorganismer, främst bakterier, svampar och virus. Forskare som studerar mikrober och de infektioner de kan orsaka eller sätt de kan interagera med sin miljö är kända som mikrobiologer
.
organic (i kemi) Ett adjektiv som anger att något är kolinnehållande; en term som relaterar till de kemikalier som utgör levande organismer.
pilus (plural pili)
En liten hårliknande struktur som finns på en bakterie.
por Ett litet hål i en yta.
avloppsvatten Avfall — främst urin och avföring — som blandas med vatten och spolas bort från hemmet genom ett system av rör för omhändertagande i miljön (ibland efter att ha behandlats i ett stort vattenreningsverk).
succinat (även bärnstenssyra) En kemikalie som många mikrober och levande celler använder i reaktioner. Fabriker använder denna kemikalie i produktionen av bland annat livsmedel, parfymer och mediciner.
avloppsvatten Allt vatten som har använts för något ändamål (t.ex. rengöring) och som inte längre är rent eller tillräckligt säkert för användning utan någon typ av behandlingen. Exempel inkluderar vattnet som går ner i diskbänken eller badkaret eller vatten som har använts vid tillverkning av någon produkt, till exempel ett färgat tyg.
Word Hitta (klicka här för att förstora för utskrift)
Leave a Reply