Почвенные бактерии и минералы образуют природную «батарею», разлагающую антибиотики в темноте

Исследователи обнаружили новый удивительный способ, с помощью которого почвенные микробы могут использовать солнечную энергию даже после наступления темноты. Команда из Куньминского университета науки и технологий и Университета Массачусетса в Амхерсте разработала «био-фотовольтаическую почвенно-микробную батарею», способную улавливать, накапливать и высвобождать солнечную энергию для разложения антибиотиков-загрязнителей в темноте.

Исследование, опубликованное в Environmental and Biogeochemical Processes, показывает, что обычные почвенные бактерии Bacillus megaterium могут взаимодействовать с железосодержащими минералами, образуя живую биоплёнку, которая ведёт себя как перезаряжаемый геохимический конденсатор.

При воздействии света плёнка из железа и бактерий поглощает фотоны и накапливает образующиеся электроны. Позже, в отсутствие света, она высвобождает эти накопленные заряды для запуска химических реакций, разлагающих антибиотики, такие как тетрациклин и хлорамфеникол.

«Наши результаты показывают, что почвенные микроорганизмы и минералы вместе могут функционировать как крошечные природные батареи», — сказал соавтор исследования профессор Бо Пан. — «Эта система может улавливать солнечный свет днём и использовать эту энергию ночью для удаления загрязнителей».

В лабораторных экспериментах композит Fe₂O₃–B. megaterium генерировал общий накопленный заряд 8,06 микрокулон на квадратный сантиметр в течение циклов свет–темнота. После одного часа воздействия света система разложила до 22% антибиотиков в полной темноте, что на 67% выше, чем при более коротком световом воздействии.

Механизм основан на циклическом переходе железа между формами Fe(II) и Fe(III), которому способствует бактериальный метаболизм. Эта редокс-система позволяет накапливать и постепенно высвобождать электроны, создавая стабильный источник энергии для реакций в тёмной фазе. Электрохимический анализ команды подтвердил, что этот минерально-микробный интерфейс усиливает перенос заряда и снижает потери энергии, формируя биологический псевдоконденсатор.

«Это открытие открывает новое окно в понимание того, как солнечная энергия может управлять биогеохимическими процессами даже ниже поверхности почвы, куда солнечный свет не проникает», — сказал профессор Баошань Син. — «Оно также предлагает экологически устойчивый способ очистки загрязнённых почв и грунтовых вод».

Исследователи полагают, что подобные минерально-микробные системы могут играть скрытую, но жизненно важную роль в природных энергетических циклах и контроле загрязнения в экосистемах.