Geobacter sulfurreducens

Tổng quan sinh học và khả năng chuyển điện tử độc đáo

Geobacter sulfurreducens là một vi khuẩn gram âm, hình que, không sinh bào tử, thuộc họ Geobacteraceae. Được phát hiện vào năm 1994 từ các trầm tích bị ô nhiễm ở Norman, Oklahoma, Hoa Kỳ, loài vi khuẩn này nổi bật với khả năng chuyển điện tử ra môi trường bên ngoài – một đặc điểm hiếm thấy trong giới vi sinh vật.

Vi khuẩn này sử dụng các chất hữu cơ như acetate hoặc hydrogen làm nguồn điện tử và chuyển chúng đến các chất nhận điện tử không hòa tan như oxit sắt (Fe(III)) hoặc điện cực. Quá trình này tạo ra dòng điện, biến G. sulfurreducens thành một trong những vi khuẩn có khả năng sản xuất điện hiệu quả nhất được biết đến hiện nay.

Bộ gen của G. sulfurreducens có khoảng 3,8 triệu cặp base với hơn 3.400 gen mã hóa protein, bao gồm nhiều cytochrom c – các protein chứa heme tham gia vào quá trình chuyển điện tử. Hệ thống cytochrom c phong phú giúp vi khuẩn này thực hiện quá trình hô hấp ngoại bào hiệu quả, cho phép chuyển điện tử đến các chất nhận điện tử bên ngoài tế bào.

Ứng dụng trong công nghệ sinh học và xử lý môi trường 

Ứng dụng trong pin nhiên liệu vi sinh

Khả năng chuyển điện tử của G. sulfurreducens đã được khai thác trong việc phát triển pin nhiên liệu vi sinh (MFC), nơi vi khuẩn tạo ra điện từ chất thải hữu cơ. Các biofilm do vi khuẩn này tạo ra trên bề mặt điện cực có khả năng dẫn điện cao, giúp tăng hiệu suất chuyển điện tử và sản xuất điện.

Xử lý ô nhiễm kim loại nặng

G. sulfurreducens có khả năng khử các kim loại nặng như uranium (U(VI)) thành dạng không hòa tan (U(IV)), giúp ngăn chặn sự lan truyền của các chất ô nhiễm trong môi trường nước ngầm. Khả năng này đã được ứng dụng trong các dự án xử lý ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là trong việc làm sạch các khu vực bị ô nhiễm bởi chất thải hạt nhân hoặc công nghiệp.

Tiềm năng trong công nghệ điện tử sinh học và vật liệu mới

Các pili dẫn điện (nanowire vi khuẩn) của G. sulfurreducens không chỉ đóng vai trò trong quá trình chuyển điện tử mà còn mở ra tiềm năng trong việc phát triển các thiết bị điện tử sinh học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các nanowire này có thể được sử dụng để tạo ra memristor – một loại linh kiện điện tử có khả năng nhớ trạng thái điện, hoạt động ở điện áp thấp và tương thích với tín hiệu thần kinh.

Ngoài ra, các biofilm dẫn điện do G. sulfurreducens tạo ra có thể được sử dụng như một loại vật liệu sinh học mới, bền vững và thân thiện với môi trường, với khả năng dẫn điện tương đương với các vật liệu kim loại truyền thống.