Біо-електрика. Бактерії як альтернативне джерело енергії

Група інженерів під керівництвом Брюса Логана (Bruce Logan) з університету штату Пенсільванія у місті Юніверсіті Парк (США) винайшла новий спосіботримання електрики, повідомляє РІА Новини з посиланням на статтю у Science.

Вони експериментували з бактеріями, що руйнують органіку із виділенням електронів. Бактеріальні паливні осередки вчені сконструювали на основі зворотного електродіалізу.

Як пояснюють вчені, біопаливна батарея виробляють електрику за допомогою спеціальних штамів бактерій, що виділяють електрони навколишнє середовище. У таких осередках бактерії поглинають поживні речовиниі виділяють частину енергії у вигляді протонів та електронів, що створюють електричний струм.

Електрогенератори на основі зворотного електродіалізу дозволяють видобувати енергію з різниці в солоності в двох потоках рідини, що змішуються. Для цього ємність пристрою ділиться на вузькі осередки за допомогою спеціальних мембран, що пропускають позитивно заряджені натрію іони або негативно заряджені іони хлору.

Бактеріальні осередки.
При роботі батареї через одні осередки пропускається розчин солі, а через інші дистильована вода. Частково проникні мембрани пропускають тільки позитивні або негативні іони, внаслідок чого в посудині виникає різниця в потенціалах, що створює електричний струм.

Логан та його колеги виявили, що підключення біопаливного елемента до встановлення зворотного електродіалізу помітно покращило її ефективність та дозволило зменшити кількість мембран усередині неї. Новий електрогенератор може бути використаний для очищення міських та промислових стічних вод.

"Бактерії в осередку швидко розправилися з органічними частинками в стічних водах. Ця частина відходів найгірше витягується з води традиційними методами, та її ефективне видалення вимагає застосування складних фільтрів. Більші частинки, з якими мікроби справляються погано, можна видалити класичними методами", - каже Логан.

Повернення втраченого тепла.
Як пояснюють інженери, в їхньому електрогенераторі-очиснику стічні води займають місце щодо чистої води. Як солі використовується карбонат амонію - з'єднання аміаку та вуглекислоти. Ця сіль ідеально підходить для переробки рідких відходів - вона має низьку собівартість, і вона легко випаровується з розчину при нагріванні до 43 градусів Цельсія. Для цього можна використовувати тепло відпрацьованих газів та інші види втраченої енергії на промислових підприємствах.

"Втрачене тепло "з'їдає" від 7 до 17 відсотків енергоресурсів, які витрачаються промисловістю. Практично скрізь існує джерело такого тепла, яке втрачається безповоротно. Наша технологія дозволить його використовувати", - підсумовує Логан.

Мікроорганізм, який отримав назву геобактерії, добре відомий вченим і давно використовується в різних експериментах. Ця бактерія має здатність виробляти електрику зі свого звичного довкілля – брудної води. Але тепер зможе "працювати" і як пряме джерело електроенергії - біологи з Масачусетського університету вивели нове покоління геобактерій, які створюють дуже великий електричний заряд.

«Нове дослідження показує, що віддача електрики від геобактерій може бути збільшена, і перед нами відкриваються нові можливості щодо створення органічних паливних елементів, – розповідає Дерек Лоулі, який очолив наукову групуз вивчення енерговиробних мікроорганізмів. – Фактично ми відкрили спосіб видобутку електрики із бруду».

Справді, геобактерія живе у забрудненому середовищі, нерідко навіть у стічних водах промислових підприємств. Вчені виявили, що розмір заряду, що виробляється мікроорганізмом, безпосередньо залежить від складу навколишнього середовища.

Читайте також " "

«Лише на першому етапі досліджень ми змогли збільшити заряд, що виробляється геобактерією, у вісім разів», - продовжує Дерек Лоулі. Минулого року вчені довели вироблення струму до певного рівня, подолати який так і не змогли – жодні генетичні маніпуляції із мікроорганізмами не давали позитивних зрушень. Лише змінивши підхід та звернувши увагу на сферу проживання бактерій, біологи змогли вийти на нові позначки напруги.

Наразі вчені готові перейти до останній стадіїсвоїх досліджень – розробці автономної біологічної батареї, яка вироблятиме електричний струм із брудної води та відновлюваної біомаси. Такий вид пристроїв планується використовувати в мобільних телефонах, імплантовані медичні прилади та засоби пересування.

Геобактерія - крихітний організм, товщина якого можна порівняти з молекулами і становить всього 3-5 нанометрів. Це приблизно в 20 тисяч разів тонше за людське волосся. Довжина геобактерії приблизно в тисячу разів більша за товщину. Незважаючи на такі незначні габарити, ці мікроорганізми дуже міцні, за що і отримали прізвисько «нанопружини».

Дивіться фоторепортажі у розділі " "

У природі геобактерії утворюють колонії, що кріпляться до поверхні клейкою плівкою. Їх можна знайти на підводному камені або на емалі зубів – скрізь, де є джерело придатної для них їжі. Геобактерії - анаеробні створення, тому для їх життєвих реакцій кисень не потрібний.

Експерименти з незвичайними властивостямиГеобактерії почалися ще в 1987 році. Вони залучили біологів своїм незвичайним способомдихання – замість звичного нам кисню, їхня дихальна активність побудована на залозі та інших металах. Це і стало початковою метою дослідження, доки у 2002 році не були випадково виявлені та енерговиробні таланти мікроорганізму.

Але минуло ще кілька років, перш ніж вчені почали вивчення геобактерії як потенційного анода для майбутніх біобатарів. Перші дослідження у цьому напрямі було розпочато саме Дереком Лоулі, і нове відкриття стало підтвердженням його лідерства у галузі органічної енергетики.

Нове дослідження розкриває дивовижний фактпро численні типи бактерій кишечника, які можуть виробляти електрику. Електрогенні бактерії - це бактерії, які здатні виробляти певну кількістьелектрики. Дослідники на чолі з професором Деном Портним (Dan Portnoy) опублікували своє відкриття у журналі Nature.

Бактерії та електрика

До цих пір електрогенні бактерії були виявлені в досить специфічних природних середовищах, таких як опади різних водойм. Ці середовища зазвичай анаеробні - не містять вільного кисню. Вперше дослідники з Каліфорнійського університету (University of California) у Берклі виявили, що сотні різних бактерійу кишечнику людини також є електрогенними. До них відносяться багато видів бактерій, від патогенних, які здатні викликати захворювання до пробіотичних, які сприяють здоров'ю кишечника. Однак ці кишкові бактеріївиробляють електрику, використовуючи інший механізм.

Патогени, що виробляють електрику

Вчені ідентифікували електрогенеруючі бактерії, ними є Listeria monocytogenes (загальний винуватець діареї), Clostridium perfringens (викликає гангрену) та Enterococcus faecalis (патоген, який купується під час перебування у лікарні). Однак, багато інших бактерій, що виробляють електрику в кишечнику, є не патогенами. Деякі їх є пробіотиками.

"Той факт, що так багато бактерій, які взаємодіють з людьми, або як патогени, або є пробіотиками, або беруть участь у ферментації, є електрогенними - було втрачено раніше", - говорить автор дослідження. "Це може багато розповісти нам про те, як ці бактерії заражають нас або допомагають нам мати здоровий кишечник".

Що нам дасть це відкриття?

Вчені очікують, що їхня несподівана знахідка також може бути корисною у майбутніх проектах, спрямованих на створення мікробних паливних елементів, інноваційної стратегії для виробництва відновлюваної енергії.

Дослідники пояснюють, що бактерії виробляють електрику як частину їхнього метаболізму — процес, який вони порівнюють із диханням. Однак, у той час як організми, такі як рослини і тварини, які живуть у багатих киснем середовищах, використовують кисень, щоб допомогти їм у метаболізмі, бактерії, які проживають в анаеробних середовищах, повинні використовувати інші хімічні елементи. Так, бактерії, що мешкають на дні озер, зазвичай використовують мінерали, такі як залізо чи марганець, під час свого складного метаболічного процесу, тим самим виробляючи електрику. Однак у електрогенних бактерій, що мешкають у кишечнику, електрогенеруючий процес простіше, і вони використовують органічна сполукавідоме якфлавін, Що є похідним вітаміну B2.

"Схоже що клітинна структурацих бактерій і багата на вітаміни екологічна ніша, Яку вони займають, значно полегшує і робить більш рентабельним перенесення електронів з клітини », - пояснює автор першого дослідження Сем Лайт (Sam Light).

Скільки виробляють енергії кишкові бактерії?

Дослідники провели додаткові тести, щоб дізнатись, скільки електрики здатні виробляти ці кишкові бактерії. Вони виявили, що кишкові бактерії виробляють майже стільки ж електрики, скільки інші електрогенні бактерії: до 100 000 електронів на секунду на клітину.

Зокрема, вчені з подивом виявили, що лактобацила, яка відіграє роль у ферментації і використовується для приготування сиру, йогурту та квашеної капусти, також має електрогенні властивості.

Тепер вчені запитують, чи мають ці властивості взагалі відношення до смаку, який лактобацила створює в харчових продуктахотриманих шляхом ферментації.

«Це ціла більша частинафізіології бактерій, про існування яких люди не підозрювали і якими можна маніпулювати», - робить висновок Лайт.

Наразі вчені працюють над створенням замкнутої системи життєдіяльності, необхідної для тривалого польоту. В Інституті медико-біологічних проблем проводяться експерименти, які ще зовсім недавно видалися б фантастикою.

Корисна утилізація космічного сміття

Людство давно прагне освоєння Сонячна система. Наразі вчені сперечаються, яким повинен бути двигун міжпланетного корабля, чи треба повертати міжпланетних мандрівників на Землю, як захиститися від радіації та створити замкнуту системужиттєдіяльності під час тривалого перельоту.

Гостро постає проблема переробки космічного сміття. Частина відходів із російського модуля повертається з вантажним кораблем «Прогрес» на Землю. Під час далекого космічного польотутакої можливості не буде. І тут на допомогу космонавтам можуть прийти бактерії.

Вчені лабораторії "Мікробна екологія" з Інституту медико-біологічних проблем займаються подібними дослідженнями не перший рік. Досліджуючи явище біоелектрики, вчені дійшли висновку, що, якщо грамотно використовувати процес переробки та утилізації відходів за допомогою бактерій, можна створити невеликий біопаливний реактор.

Середній мікробний паливний елемент (МТЕ) дає приблизно 07 вольта. При опорі близько 100 кому це можна порівняти з роботою ½ пальчикової батарейки, - пояснює керівник лабораторії В'ячеслав Ільїн.

Цього достатньо, щоб, наприклад, запитати світлодіодну лампочку.

В наш час біоелектрика як науковий напрямокпереживає справжній ренесанс, – вважає В'ячеслав Костянтинович.

Примітно, що перше джерело постійного струму- гальванічний елемент - був винайдений італійським ученим Вольтом у 1800 році, після того як він ознайомився з роботою І. Гальвані «Трактат про сили електрики при м'язовому русі», в якому описується наявність електричного струмуу м'язах тварин.

Перша «батарейка» була громіздкою, являла собою стовп із цинкових та срібних кружечків, розділених змоченим у підсоленій воді папером. І ось історія біоелектрики зробила помітний виток. На порядку денному стоїть питання щодо використання мікробних паливних

Елементи.

«Бактеріальна» батарея

Типовий мікробний паливний елемент складається з двох камер, з'єднаних протонопровідною мембраною: закритою від доступу повітря анодної камери з бактеріями, де знаходиться електрод (анод), субстрат, наприклад стічні води; та катодної камери з водою.

Бактерії поглинають вуглеводи та виділяють вуглекислий газ(СО 2) та протони (Н+), а також електрони (e-). Протони через мембрану потрапляють у катодну камеру. Бактерії позбавляються електронів, скидаючи їх на анод, потім електрони по зовнішньому ланцюгу надходять на катод, де з'єднуються з протонами і киснем повітря, внаслідок чого утворюється вода. Зазвичай основний процес МТЕ описують наступним хімічним рівнянням: 1/2O 2 +2e-+2H+=H 2 O.

Сила струму при цьому мінімальна – вона вимірюється мікроамперами.

Вчені проводять експерименти, заряджаючи різні прилади біоелектрикою, що отримується зі стічних вод. Так, на базі Інституту медико-біологічних проблем протягом 520 діб безперебійно працював аналізатор вмісту в повітрі СО 2 і О 2 підживлюваний МТЕ. Мікробний паливний елемент був заправлений активним мулом, зібраним на Кур'янівській станції аерації.

Тривалість експерименту обрана невипадково: 520 діб - розрахована російськими вченими оптимальна тривалість польоту дослідницької групи до Марса і назад Землю.

Середній мікробний паливний елемент (МТЕ) дає приблизно 07 вольта. При опорі близько 100 КОм це можна порівняти з роботою 1/2 пальчикової батарейки, цього достатньо, щоб, наприклад, запитати світлодіодну лампочку.

У липні 2014 року було проведено експеримент на борту супутника «Фотон-М4». Протягом 30 діб один МТЕ перебував у стратосфері на висоті 570 км, де телеметрії можна було стежити за продукцією біоелектрики, а другою такою самою - на Землі. Виявилося, що кількість біоелектрики, що виробляється в космосі та на Землі, можна порівняти. Прилади заправлялися мулом міської станції аерації.

А ще співробітники інституту досліджували біоелектричний потенціал гейзерів та термальних джерел Камчатки, де також накопичується активний мул.

Поєднавши послідовно три термальні джерела, нам вдалося запустити годинник, – розповідає Ільїн.

То, можливо, біоелектрика стане панацеєю у вирішенні проблем альтернативної енергетики?

Ні, навіть якщо ми захочемо отримати 220 Вт і послідовно включимо пару сотень МТЕ, то хоч і отримаємо 220 Вт, але сила струму все одно буде мінімальною - вона вимірюється в мікроамперах, - вносить ясність Денис Коршунов, молодший науковий співробітниклабораторії "Мікробна екологія".

Ми, звичайно, сподівалися на краще, провели багато досліджень на Камчатці, перевіряли і сірчані гейзери, і залізисті. Вперто робили виміри, незважаючи на те, що до нас підходили ведмеді та періодично розкидали наше обладнання. Але, на жаль, сила струму мінімальна, -

Констатує професор Ільїн.

В результаті від задуму використовувати МТЕ в промислових цілях довелося поки що відмовитися. Наразі мікробні паливні елементи розглядаються як засіб дослідження метаболізму бактерій, їх зовнішніх дихальних ланцюгів, адже бактерії дихають не лише киснем.

Можливо, настане час використання МТЕ у промисловості. У Голландії, наприклад, вже одержують електрику на очисних станціях.

Це стало можливим завдяки дотаціям держави, яка фінансує розробки у галузі альтернативних джерел енергії. Але поки що електростанції на полях аерації не окупаються.

Енергія всередині нас

Бактерії, які живуть в організмі людини, на думку вчених, могли б принести відчутну користьу боротьбі з тяжкими захворюваннями.

Поперечно-ободова кишка людини може бути середовищем для роботи мікробних паливних елементів, - розмірковує Денис Коршунов.

Розміри такого МТЕ можуть досягати лише кількох квадратних сантиметріва енергії, яка буде вироблятися, цілком вистачить для підзарядки кардіостимулятора, діабетичної помпи, слухового апарату або іншого вбудованого в організм медичного пристрою.

На борту космічного корабляце, звичайно, не стане в нагоді, оскільки на орбіті працюють люди, у яких немає проблем зі здоров'ям. Натомість МТЕ можуть допомогти у створенні замкненого життєвого циклупід час тривалих міжпланетних подорожей.

У 2021 році в космос буде запущено супутник «Біон-М2». Політ пройде на висоті 1000 км. Там бактеріям влаштують випробування: у їхню діяльність привноситимуться фактори радіації, важкої. неіонізуючого випромінюваннята ослабленого магнетизму.

Я дивлюся на життя оптимістично і сподіваюся, що прорив у використанні біоелектрики ще попереду. На мій погляд, це може статися, якщо несподівано знайдеться мікроорганізм, чи новий штам, чи нове технічне рішеннязавдяки якому вдасться підняти амперні складові цього процесу. Ми над цим працюємо, – резюмує В'ячеслав Ільїн.

Поперечно-ободова кишка людини може бути середовищем для роботи мікробних паливних елементів.

В апараті «Фотон-М» розміщують наукову апаратуру та біооб'єкти (п'ять геконів, мух-дрозофіл, насіння рослин та безліч мікроорганізмів), яким належить вирушити у двомісячний космічний політ. Космічний апарат«Фотон-М4» призначений для проведення в умовах мікрогравітації експериментів, що забезпечують отримання нових знань з фізики невагомості, відпрацювання технологічних процесіввиробництва напівпровідникових матеріалів, біомедичних препаратів з покращеними характеристиками, а також проведення біологічних та біотехнологічних досліджень.

Фотографії надані Інститутом медико-біологічних проблем