میکروب‌ها می‌توانند متحدانی کلیدی در تلاش‌های جهانی برای کاهش انتشار کربن و جلوگیری از تغییرات اقلیمی خطرناک باشند. گروهی از میکروب‌ها با نام کِمولیتواُتوتروف (chemolithoautotroph) قادرند از طریق متابولیسم طبیعی خود، کربن‌دی‌اکسید را مصرف و مولکول‌های آلی کوچک را به‌عنوان محصول جانبی تولید کنند. بر اساس مفهومی جدید که توسط پاسکال سایکالی (Pascal Saikaly) و تیمش در KAUST طراحی و توسعه یافته است، این میکروب‌ها می‌توانند داوطلب تبدیل کربن‌دی‌اکسید صنعتی خروجی به مواد شیمیایی ارزشمند باشند.
کِمولیتواُتوتروف‌ها معمولاً در اعماق دریاها، غارها و دهانه‌های گرمابی -مکان‌هایی فاقد منابع انرژی متعارف نظیر نور خورشید و کربن آلی- یافت می‌شوند. به گفته بین بیان (Bin Bian) -دانشجوی دکترا و عضو تیم سایکالی- : “این میکروب‌ها انرژی مورد نیاز خود را از اکسیداسیون ترکیبات معدنی مانند هیدروژن، آهن و گوگرد تأمین می‌کنند. میکروب‌ها با گرفتن کربن‌دی‌اکسید و کاهش آن به محصولات آلی به عنوان بخشی از فرایند، ترکیبات معدنی را از الکترون‌ها تخلیه می‌سازند.”
به منظور کنترل قابلیت‌های کِمولیتواُتوتروف در جهت بازیابی کربن‌دی‌اکسید خروجی به مواد شیمیایی مفید، تأمین و انتقال الکترون‌ها به میکروب‌ها در فرایندی موسوم به الکتروسنتز میکروبی (MES) انجام می‌گیرد. این فرایند نوعی الکتروکاتالیزوری میکروبی است که در آن فراهمی الکترون‌ها با استفاده از یک جریان الکتریکی به میکروارگانیسمی زنده از طریق کاتد در یک سلول الکتروشیمیایی صورت می‌گیرد. به گفته منال القحطانی (Manal Alqahtani) -دانشجوی دکترا و عضو دیگر این تیم تحقیقاتی- : “نحوه قرارگیری راکتورهای MES دارای دو محدودیت کلیدی شامل مقیاس‌پذیری دشوار کاتدهای مسطح و حلالیت اندک گاز کربن‌دی‌اکسید است.”
راکتور MES جایگزینی با استفاده از کاتد ساخته شده از الیاف نیکل متخلخل استوانه‌ای بهبود یافت. کربن‌دی‌اکسید از هر سیلندر، پمپ و الکترون‌ها در آن جریان می‌یابند. با این طراحی، گاز کربن‌دی‌اکسید به طور مستقیم و از طریق منافذ موجود در الیافی توخالی به کِمولیتواُتوتروف‌ها تحویل و به طور همزمان الکترون‌ها و کربن‌دی‌اکسید به کِمولیتواُتوتروف‌های روی سطح کاتد ارائه می‌شوند.
راکتور الکتروسنتزی میکروبی (MES) شامل جایگزینی کاتد مسطح معلق معمول با کاتد رسانای الکترونی، کاتالیستی و الیاف توخالی متخلخل (CCPHF) است. کاتد CCPHF به عنوان یک الکتروکاتالیست معدنی برای تولید هیدروژن از کاهش پروتون و به عنوان یک غشاء انتقال گاز به منظور تحویل مستقیم کربن‌دی‌اکسید به متانوژن‌های هیدروتروفیک تثبیت‌کننده کربن‌دی‌اکسید (کاتالیزور زیستی) بر روی کاتد، از طریق منافذ الیاف توخالی عمل می‌کند. انجام واکنش اکسیداسیون آب در آند سبب تأمین الکترون‌های موردنیاز واکنش تکامل هیدروژن در کاتد MES می‌شود.
در مطالعات اولیه، میکروب‌های تولیدکننده متان در مقایسه با بازده سه درصدی طراحی متعارف، قادر به تبدیل کربن‌دی‌اکسید به متان با بازده ۷۷ درصد بودند. مطالعه‌ای پیگیری با پوشش الکترود با نانولوله‌های کربنی سبب بهبود عملکرد، افزایش سطح زیست‌سازگار برای رشد میکروبی و افزایش قابلیت جذب کربن‌دی‌اکسید توسط الیاف توخالی تا ۱۱ برابر شد. به علاوه، نانولوله‌های کربنی سبب افزایش انتقال الکترون از الکترود به کِمولیتواُتوتروف‌ها شدند. در آزمایش‌های انجام شده با استفاده از میکروب‌های تولیدکننده استات، تولید مواد شیمیایی به‌هنگام استفاده از پوشش نانولوله تقریباً دو برابر شد.
هم‌اکنون اعضای این تیم تحقیقاتی در حال مطالعات بیشتر در این زمینه می‌باشند. کار فعلی القحطانی، بررسی روش‌های ساده‌تر برای تولید کاتد متخلخل استوانه‌ای است. بیان نیز در زمینه بهینه‌سازی سرعت‌های جریان کربن‌دی‌اکسید و سرمایه‌گذاری منابع انرژی تجدیدپذیر MES نظیر انرژی خورشیدی به تحقیق می‌پردازد.
