Исследователи из Университета науки и технологий Куньмина (KUST) доказали, что обычные почвенные бактерии способны сохранять солнечную энергию и использовать её в темноте. Команда создала живую систему, которая поглощает свет, запасает электроны, а затем тратит накопленный заряд для разложения молекул антибиотиков, даже без доступа солнечных лучей. Этот подход образует своеобразную био-фотовольтаическую систему — «почвенную батарею», где микробы и минералы вместе выполняют функции естественного аккумулятора энергии.
Проблема загрязнения антибиотиками
Остатки антибиотиков, применяемых в медицине и сельском хозяйстве, не исчезают из окружающей среды. Они попадают в почву и водоёмы, создавая условия для формирования устойчивости у бактерий — способности выживать при воздействии лекарств, призванных их уничтожать.
Исследования регулярно фиксируют присутствие таких препаратов, как тетрациклины и хлорамфеникол, в реках, сточных водах и даже источниках питьевой воды.
Существующие методы очистки требуют постоянного освещения или электропитания, что невозможно в подземных слоях, где света нет. Учёные стремились создать систему, которая будет работать в темноте, без внешнего источника энергии и без риска внесения новых загрязнителей.
Как работает «почвенная батарея»
Основой новой системы стал минерал гематит (оксид железа) — красноватое соединение железа, действующее как слабый полупроводник. Он способен поглощать свет благодаря своей энергетической «щели» шириной около 2,1 электрон-вольта.
К гематиту добавили бактерию Bacillus megaterium, широко распространённый вид, известный своей электрохимической активностью. Этот микроорганизм умеет выводить электроны наружу с помощью механизма внеклеточного переноса электронов, используя витаминоподобные молекулы флавины.
Когда бактерии и минералы объединяются в биоплёнку, их взаимодействие превращается в миниатюрный накопитель энергии. Днём плёнка поглощает электроны, а ночью постепенно высвобождает их через череду окислительно-восстановительных реакций между железом Fe(II) и Fe(III).
Так формируется устойчивый поток заряда, способный питать химические реакции в условиях полного отсутствия света.
Зачем это нужно: очистка почвы и воды
В лабораторных испытаниях комбинация гематита и B. megaterium накопила заряд 8,06 микрокулона на квадратный сантиметр. После часа «зарядки» система разложила 20–22% молекул антибиотиков — тетрациклина и хлорамфеникола — даже в полной темноте.
Ни один из компонентов по отдельности такого эффекта не давал: энергия накапливалась именно на границе контакта минерала и микроба.
Учёные отмечают, что чем дольше система накапливает свет, тем эффективнее она работает ночью. При этом не требуется никаких дополнительных реагентов, что делает технологию перспективной для применения в реальных почвах и грунтовых водах.
«Наши результаты показывают, что микроорганизмы и минералы могут вместе функционировать как крошечные природные батареи», — поясняет профессор Бо Пан из KUST.
Хотя лабораторные данные впечатляют, для практического использования необходимо провести полевые тесты. Реальная почва содержит органику, соли и другие соединения, которые могут снижать эффективность.
Учёным предстоит выяснить, как долго биоплёнка удерживает заряд, насколько устойчивы микроорганизмы к внешним условиям, и какие параметры — размер частиц, толщина слоя, плотность бактерий — оптимальны для конкретных типов почв.
Также важно контролировать продукты разложения антибиотиков и возможное влияние на гены устойчивости бактерий. Если результаты подтвердятся, «почвенные батареи» смогут стать новым инструментом для экологической очистки, работающим круглосуточно и без внешней энергии.
Исследование опубликовано в журнале Environmental and Biogeochemical Processes.