Sinice, čili bakterie s kyslíkovou fotosyntézou, jsou na Zemi už od pradávna. Objevily se zřejmě již krátce po vzniku pozemského života, přetrvaly miliardy let a dnes jsou všudypřítomné. Žijí v oceánech i ve sladké vodě, na kůře stromů, na zdech domů i na holých hřebech nejvyšších hor.
Právě sinicím z velké části vděčíme za to, že atmosféra Země je plná kyslíku. Ten vzniká jako „odpad“ při kyslíkové fotosyntéze, s jejíž pomocí sinice vyrábějí ze slunečního záření a oxidu uhličitého organické látky. Fungují jako výkonné buněčné továrny poháněné Sluncem a toho se snažíme využít v biotechnologiích.
Laetita Philippe ze švýcarských federálních výzkumných laboratoří EMPA (Eidgenössische Materialprüfungs-und Forschungsanstalt) se svými spolupracovníky vylepšila vláknité sinice spiruliny pomocí speciálního povrchu tak, aby fungovaly jako fotokatalyzátory a zároveň vyráběly biopalivo.
Spiruliny si vědci vybrali kvůli jejich výrazně spirálovitému tvaru, který přispívá k vysoce efektivnímu využití slunečního záření. Jsou tak spirálovité, že pod mikroskopem připomínají nějaké součástky z miniaturního zařízení.
Spiruliny se přirozeně vyskytují převážně v tropických a subtropických jezerech se zásaditou vodou, kde bývá vysoký obsah uhličitanů a hydrogenuhličitanů. V dnešní době se již spiruliny pěstují ve velkém. Například v Japonsku z nich vyrábějí vitamínové doplňky, protože obsahují celou řadu různých vitamínů. Také obsahují značné množství proteinů. Mají vysokou výživnou hodnotu a snadno se pěstují ve velkých objemech.
Navléct je do brnění
Jak vyrobit bionické spiruliny? Badatelé nejprve potáhli buňky spirulin velice tenkou vrstvou niklu. Pak následovaly další nepatrné vrstvy oxidu zinku a nanočástic sulfidu zinku. Buněčný povrch spirulin přitom sehrál roli strukturovaného podkladu, na který se tyto vrstvy ukládaly.
Snímky z jiného biotechnologického experimentu z roku 2014, ve kterém vědci spiruliny povlékli kovovou vrstvou a vytvořili z nich mikroskopické vodiče.
Vrstva niklu je magnetická, což značně usnadňuje manipulaci se spirulinami, neboť je k tomu možné využít magnetické pole. Následující vrstva se zinkem má zase výraznou a dlouhodobou fotokatalytickou aktivitu, která vzniká díky přítomnosti dvou sloučenin zinku.
Velkou výhodou bionických sinic je i to, že mohou využívat širší spektrum elektromagnetického záření, než je v podobným případech obvyklé. Pokud by byl tímto způsobem využit pouze oxid zinku, tak by bionické spiruliny využily k fotokatalýze jen ultrafialovou oblast slunečního záření.
Díky důmyslné struktuře a použití nanočástic sulfidu zinku ale mohou takto upravené sinice využívat širší část spektra. Jejich fotokatalytickou aktivitu lze použít například k rozkladu znečisťujících látek v prostředí. Jak uvádí Philippeová, na dotyčných spirulinách by bylo možné založit například dlouhodobě udržitelný, jednoduchý a hlavně nepříliš drahý postup pro čištění vod.
Od roku 2015 je dostupný a udržitelný management čištění vod součástí cílů pro udržitelný rozvoje OSN (UN Global Sustainability Agenda). Právě v rámci tohoto programu tým laboratoří EMPA vyvíjí technologie, které mohou zajistit pitnou vodu po celém světě s využitím existujících čistíren vod. Jejich hlavním cílem je odstranit z vody mikroplasty a perzistentní organické látky (POP, podle anglického Persistent Organic Pollutants), s nimiž si konvenční systémy pro čištění vod neporadí.
Tým EMPA za tímto účelem využil výše zmíněnou fotokatalýzu založenou na kombinaci oxidu zinku a sulfidu zinku. Jde o chemickou reakci poháněnou světlem, která oxiduje a neutralizuje znečišťující látky po ozáření slunečním svitem.
Badatelé původně vyvinuli tento fotokatalytický povrch se zinkem pro umělé nanostruktury připomínající mikroskopické kapradiny (mikro- nebo nanofern). Architektura takových „kapradin“ umožňuje velmi efektivně absorbovat světelné záření pro fotokatalýzu. V experimentech nejprve testovali různé designy mikro- a nanokapradin s různě uspořádanými vrstvami rozmanitých chemických látek. Nakonec se jim nejvíce osvědčila struktura s vrstvami niklu, oxidu zinku a sulfidu zinku.
Ukázka „kapraďovité“ formy fotoaktivního materiálu, kterou nakonec v pokusech nahradily spiruliny.
Jako podklad ale namísto umělých miniaturních kapradin zvolili spiruliny, jejichž struktura dovoluje ještě efektivnější absorpci světelného záření.
Čistota není vše
Když spiruliny vyčistí vodu, tak jejich práce ještě není ani zdaleka hotová. Sloučeniny se zinkem a niklem je možné recyklovat a použít znovu. Zároveň je možné využít biomasu spirulin a vyrobit z ní biopalivo.
Nejde přitom jen o bioetanol a bionaftu. Hmotu ze spirulin lze zpracovat do podoby pelet, které je pak možné spalovat pro získání energie. Využitelný je i popel z takového spalování, který může posloužit jako hnojivo pro pěstování nových generací spirulin nebo i jiných fotosyntetických organismů.
Pozoruhodnou výhodou je i to, že spiruliny není nutné vyrábět. Množí se totiž samy. Stačí jim jenom voda, sluneční záření a živiny. Když to všechno mají spiruliny k dispozici, tak se množí velmi rychlým tempem. Zároveň pohlcují oxid uhličitý z atmosféry a vypouštějí kyslík, čímž zlepšují poměr těchto látek v náš prospěch. Jak se zdá, sinice jako jsou třeba spiruliny, by se mohly stát základem nového typu energetiky a ekonomiky.
