Dalam sebuah reaktor cair, karbon dioksida tidak lagi diperlakukan sebagai limbah, melainkan bahan baku untuk membangun biomassa hidup. Peneliti di Inggris menunjukkan bahwa cahaya matahari, enzim, dan bakteri E. coli rekayasa dapat digabungkan dalam satu sistem untuk mengubah CO2 menjadi senyawa bernilai dan sel baru.
Temuan ini membuka gambaran awal tentang pabrik surya masa depan yang tidak harus bergantung pada minyak, batu bara, atau gas alam. Jika pendekatan seperti ini terus berkembang, bahan kimia dan material berpotensi dibuat dari udara dengan bantuan energi terbarukan.
Reaktor yang menggabungkan kimia dan biologi
Tim yang dipimpin Dr. Lin Su dari Queen Mary University of London merancang reaktor surya terintegrasi yang menyatukan proses kimia dan biologi dalam satu wadah. Hasil kerjanya dipublikasikan di Journal of the American Chemical Society.
Sistem ini meniru sebagian proses fotosintesis, tetapi tidak memakai tanaman, alga, atau mikroba fotosintetik alami. Para peneliti memilih untuk memindahkan penangkapan karbon dan pertumbuhan sel ke lingkungan cair yang sama agar alurnya lebih sederhana dan terhubung langsung.
Di dalam reaktor, salah satu elektroda memecah air dan menghasilkan oksigen. Oksigen itu lalu membantu bakteri bertahan hidup, sementara elektroda lain bekerja dengan enzim untuk menangkap karbon dioksida terlarut.
Karbon dioksida tersebut diubah menjadi formate, yaitu molekul sederhana berbasis satu atom karbon yang menyimpan energi kimia. Senyawa ini menarik karena dapat dibuat langsung dari CO2 dengan energi terbarukan dan dipandang sebagai pembawa energi untuk manufaktur rendah karbon.
E. coli rekayasa memanfaatkan formate
Setelah formate terbentuk, E. coli rekayasa memakainya sebagai sumber energi. Dengan bantuan oksigen dari sistem, bakteri kemudian memakai karbon dioksida untuk membangun biomassa baru.
Pemilihan E. coli bukan tanpa alasan. Para peneliti memilih bakteri ini karena genetika dan metabolismenya sudah dipahami sangat baik, sehingga lebih mudah direkayasa untuk kebutuhan industri.
Bakteri alami memang ada yang bisa tumbuh dengan formate, tetapi tidak semuanya cocok untuk proses industri. Strain E. coli yang sudah mampu memakai formate juga sebelumnya tumbuh lambat.
Untuk memperbaiki hal itu, tim menjalankan adaptive laboratory evolution selama 168 hari. Bakteri dibudidayakan berulang kali dalam kondisi berbasis formate sampai muncul strain yang lebih cepat berkembang.
Hasilnya cukup menonjol. Strain yang telah berevolusi mencapai tingkat pertumbuhan serupa hanya dalam dua hari, jauh lebih cepat dibanding hampir dua minggu pada kondisi sebelumnya.
Kinerja sistem dan peran cahaya matahari
Agar formate terbentuk efisien, peneliti memakai enzim formate dehydrogenase yang dipasang pada elektroda titanium dioksida khusus. Mereka juga menambahkan enzim carbonic anhydrase untuk mempercepat pemrosesan CO2 dan menjaga kestabilan keasaman lokal.
Saat listrik mengalir, sistem menghasilkan sekitar 650 mikromole formate per sentimeter persegi selama 10 jam operasi. Hampir semua elektron yang masuk dipakai untuk membentuk formate, dengan hasil Faradaic mendekati 98%.
Setelah itu, strain E. coli yang sudah berevolusi dimasukkan ke larutan kaya formate. Dalam beberapa hari, bakteri menghabiskan sebagian besar formate dan biomassa terus meningkat.
Langkah berikutnya adalah mengganti pasokan listrik dengan tenaga surya. Tim memakai sel surya organik yang cukup memberi tegangan untuk mereduksi CO2 tanpa melepas ion logam beracun yang bisa mengganggu bakteri.
Semiartificial leaf dan verifikasi karbon
Perangkat lengkap itu disebut semiartificial leaf. Di atas platform kaca kecil, photocathode semikonduktor organik dan photoanode bismuth vanadate bekerja bersama untuk membelah air, menghasilkan oksigen, dan mengubah CO2 menjadi formate.
Reaktor tersebut berjalan selama 20 jam di bawah cahaya dan tetap mendukung kelangsungan hidup bakteri. Untuk memastikan asal karbonnya, tim juga menggunakan CO2 berlabel karbon-13.
Hasilnya menunjukkan bahwa formate yang terbentuk membawa karbon-13, sehingga asal karbon dari CO2 benar-benar terkonfirmasi. Ini memperkuat bukti bahwa karbon dari udara dapat masuk ke jalur produksi biomassa melalui sistem gabungan tersebut.
Para peneliti menegaskan bahwa semuanya masih berada pada tahap bukti konsep awal. Kinerjanya masih kecil dan perangkat baru berjalan dalam hitungan jam, bukan minggu.
Meski begitu, arah pengembangannya dinilai besar. Jika efisiensi, stabilitas jangka panjang, manajemen oksigen, dan produktivitas bisa ditingkatkan, platform ini dapat menjadi fondasi bagi formate bioeconomy dan pabrik surya untuk membuat plastik, bahan kimia khusus, bahan bakar, atau protein mikroba.
Dr. Celine Wing See Yeung dari University of Cambridge menyebut pekerjaan ini sebagai hasil lintas bidang yang telah dikembangkan selama bertahun-tahun. Menurut para peneliti, kekuatan utamanya terletak pada sifat modular, karena enzim, material surya, atau strain bakteri dapat diganti untuk menghasilkan molekul yang berbeda.