Para ilmuwan di Inggris berhasil menunjukkan bahwa karbon dioksida tidak harus berakhir sebagai limbah. Dengan bantuan cahaya matahari, enzim, dan bakteri E. coli rekayasa, mereka mengubah CO2 menjadi biomassa hidup di dalam satu reaktor cair.
Temuan ini menarik karena memberi gambaran awal tentang pabrik masa depan yang tidak lagi bergantung sepenuhnya pada minyak, batu bara, dan gas alam. Jika teknologi semacam ini berkembang, bahan kimia dan material berpotensi dibuat dari udara dengan bantuan energi terbarukan.
Reaktor yang meniru sebagian fotosintesis
Tim yang dipimpin Dr. Lin Su dari Queen Mary University of London mengembangkan reaktor surya terintegrasi yang menyatukan kimia dan biologi dalam satu wadah. Hasil kerja itu dipublikasikan di Journal of the American Chemical Society.
Sistem ini meniru bagian penting fotosintesis tanpa memakai tanaman, alga, atau mikroba fotosintetik alami. Para peneliti merancang proses penangkapan karbon dan pertumbuhan sel agar terjadi di lingkungan cair yang sama.
CO2 diubah jadi formate, lalu dimakan bakteri
Di dalam reaktor, satu elektroda memecah air dan melepaskan oksigen. Oksigen itu mendukung pertumbuhan bakteri, sementara elektroda lain memakai enzim untuk menangkap karbon dioksida terlarut dan mengubahnya menjadi formate.
Formate adalah molekul sederhana berbasis satu atom karbon yang menyimpan energi kimia. Senyawa ini dipandang menarik karena bisa dibuat langsung dari CO2 dengan energi terbarukan dan dapat menjadi pembawa energi untuk manufaktur rendah karbon.
E. coli rekayasa kemudian memakan formate tersebut. Dengan bantuan oksigen yang dihasilkan sistem, bakteri mengambil energi dari formate dan memakai karbon dioksida untuk membangun biomassa baru.
Mengapa E. coli dipilih
Peneliti memilih E. coli karena genetika dan metabolismenya sudah dipahami sangat baik. Banyak bakteri alami memang bisa tumbuh memakai formate, tetapi tidak semuanya mudah direkayasa untuk kebutuhan industri.
Strain E. coli yang mampu memakai formate sebelumnya masih tumbuh lambat. Untuk memperbaikinya, tim melakukan adaptive laboratory evolution selama 168 hari dengan membiakkan bakteri berulang kali dalam kondisi berbasis formate.
Hasilnya terlihat jelas. Strain yang berevolusi mencapai tingkat pertumbuhan serupa hanya dalam dua hari, bukan hampir dua minggu.
Kinerja reaktor dan peran cahaya matahari
Untuk menghasilkan formate secara efisien, tim 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, para peneliti memasukkan strain E. coli yang sudah berevolusi ke larutan kaya formate. Dalam beberapa hari, bakteri menghabiskan sebagian besar formate dan biomassanya terus meningkat.
Semiartificial leaf dan verifikasi karbon
Tahap berikutnya 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 merusak bakteri.
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 itu berjalan selama 20 jam di bawah cahaya dan tetap mendukung kelangsungan hidup bakteri. Ketika tim menggunakan CO2 berlabel karbon-13, formate yang terbentuk juga membawa karbon-13, sehingga asal karbon dari CO2 benar-benar terkonfirmasi.
Masih awal, tetapi arahnya besar
Para peneliti menegaskan sistem ini masih berupa bukti konsep awal. Hasilnya masih kecil, dan perangkat baru bekerja dalam hitungan jam, bukan minggu.
Meski begitu, implikasinya dinilai besar. Jika efisiensi, stabilitas jangka panjang, manajemen oksigen, dan produktivitas bisa ditingkatkan, platform ini bisa menjadi fondasi bagi formate bioeconomy dan pabrik surya yang memproduksi plastik, bahan kimia khusus, bahan bakar, atau protein mikroba.
Dr. Celine Wing See Yeung dari University of Cambridge menyebut hasil ini sebagai kerja lintas bidang yang telah bertahun-tahun dikembangkan. Menurut para peneliti, kekuatan utama sistem ini terletak pada sifatnya yang modular karena enzim, material surya, atau strain bakteri bisa diganti untuk menghasilkan molekul berbeda.
