معمولاً برق برای روشن کردن دستگاهها به کار میرود، نه میکروبها. اما دانشمندان اخیراً کشف کردهاند که برخی باکتریها میتوانند مستقیماً به سطوح جامد متصل شوند و الکترون جذب کنند.
این باکتریها از این انرژی برای تبدیل دیاکسید کربن به مواد شیمیایی مفید استفاده میکنند، روشی نوین برای ذخیره انرژیهای تجدیدپذیر به صورت شیمیایی ارائه میدهند.
کشف باکتری خاکی که برق مصرف میکند
در مطالعهای جدید، پژوهشگران باکتری خاکی Fundidesulfovibrio terrae را شناسایی کردند که قادر است برق را از مواد معدنی یا الکترودها جذب کرده و دیاکسید کربن را به استات، یک ماده شیمیایی صنعتی مهم، تبدیل کند.
به شکل غیرمعمول، این میکروب میتواند الکترونها را در دو جهت حرکت دهد و بسته به شرایط، بین آزادسازی و جذب برق جابهجا شود.
میکروبها الکترونها را در هر دو جهت منتقل میکنند
با نمونهبرداری از خاک شالیزار، Fundidesulfovibrio terrae انعطافپذیری الکتریکی غیرمنتظرهای نشان داد وقتی با مواد معدنی جامد و الکترودها در تماس قرار گرفت.
در آزمایشهای کنترلشده با الکترودها، دکتر یونگ یوان از دانشگاه فناوری گوانگدونگ (GDUT) جریان الکترون را هم به سمت بیرون و هم به داخل سلولها ثبت کرد، در حالی که باکتری حالت متابولیکی خود را تغییر میداد.
این موجود به جای استفاده از واسطههای شیمیایی حلشده، مستقیماً با سطوح جامد تبادل بار داشت و فعالیت الکتریکی قابل اندازهگیری در هر دو جهت را حفظ کرد.
چگونگی حرکت برق در سلولها
برخی باکتریها مواد معدنی و سطوح فلزی را شریک انرژی خود میدانند و الکترونها را از طریق مرز سلول مبادله میکنند. پژوهشگران این فرآیند را انتقال الکترون خارجسلولی مینامند، یعنی حرکت الکترون بین سلول و سطح جامد بیرونی.
در برخی موارد، همان میکروب میتواند الکترونهای اضافی را به بیرون بفرستد و زمانی که منابع انرژی کاهش یابد، دوباره الکترون جذب کند.
چون تعداد کمی از گونهها قادر به حرکت الکترون در هر دو جهت هستند، مهندسان میتوانند این سویه را برای ساخت راکتورهای مبتنی بر الکترود پایدارتر مطالعه کنند که انرژی کمتری هدر میدهند.
میکروبها آهن را مستقیماً کاهش میدهند
در ظروف آزمایشگاهی، باکتری مستقیماً به مواد معدنی آهن متصل شد و بدون هیچ ماده کمکی، شیمی آنها را تغییر داد.
به جای استفاده از مولکولهای حلشده برای انتقال الکترون، سلولها الکترونها را مستقیماً به ماده معدنی جامد فرستادند و آهن کمتر واکنشپذیر باقی ماند. طی هفت روز، این فرآیند نرخ کاهش ۶۸.۳ درصدی را به دست آورد، نتیجهای چشمگیر برای یک سویه تازه ایزوله شده.
تماس مستقیم در رسوبات طبیعی اهمیت دارد، جایی که میکروبها روی سطوح معدنی میتوانند چرخه فلزات را به آرامی شکل دهند.
بیوفیلمها واکنشهای پایدار ایجاد میکنند
روی الکترودهای گرافیتی، سلولها لایهای متراکم تشکیل دادند که حتی با تغییر شرایط، به سطح چسبیده باقی ماند.
این بیوفیلم، اجتماع فشردهای که به سطح متصل بود، جریان الکترونها بین فلز و سلولها را حفظ کرد. در آزمایشها، همان میکروب جریان پایداری از لایه متصل تولید کرد که در بیش از یک حالت الکترود ثابت ماند.
چسبندگی پایدار برای هر راکتور آینده اهمیت دارد، زیرا سلولهایی که به سطح نمیچسبند قبل از ایجاد تولید شیمیایی معنادار، از بین میروند.
برق، سوخت جذب کربن
با تأمین الکترون از طریق الکترود، باکتری از دیاکسید کربن به عنوان تنها منبع کربن خود استفاده کرد و همچنان استات تولید کرد. در الکترواسینتز میکروبی، جایی که میکروبها مواد شیمیایی را از برق میسازند، غلظت استات به ۱۱.۰۵ میلیمولار رسید.
دیاکسید کربن وارد سلول شد و از زنجیرهای از واکنشها عبور کرد که با محصول دوکربنه به پایان رسید. این مسیر، مسیر وود-لیوندهال، است که با استفاده از الکترونهای دریافتی، استات از دیاکسید کربن میسازد.
با استفاده از الکترونهای ورودی، باکتری دیاکسید کربن را به استات تبدیل کرد و نه برای رشد سلولی جدید. اتصال این مسیر به برق، سلول را قادر ساخت حتی وقتی غذاهای آلی کم بودند، کربن را تثبیت کند.
دکتر یوان میگوید: «این میکروب توانایی استثنایی برای برداشت انرژی مستقیم از منابع الکتریکی و هدایت آن به متابولیسم کربن دارد. انعطافپذیری متابولیکی آن سکویی جدید برای پیوند برق تجدیدپذیر با بازیافت کربن ارائه میدهد.»
سیمهای مولکولی درون میکروبها
در مرز سلول، بخشهای تخصصی الکترونها را به سطح و دوباره به داخل هدایت میکردند. حرکت الکترونها از طریق غشاها وابسته به سایروکرومهای نوع c بود، پروتئینهای هم که الکترونها را در هر دو حالت الکتریکی منتقل میکنند.
ردیابی ژنوم نشان داد رشتههای مو مانند نیز در انتقال بار در بیوفیلم به سطوح نزدیک نقش دارند. در خاکهای آبگرفته و محیطهای گلآلود، این باکتریها معمولاً وقتی اکسیژن تمام میشود، رشد میکنند و بسیاری دیگر از میکروبها زنده نمیمانند.
گروه آنها، باکتریهای سولفاتزا، معمولاً الکترونها را به سمت ترکیبات سولفور هدایت میکنند. این سویه جدید نشان داد که سبک زندگی الکتریکی میتواند در میکروبهای شناختهشده برای شیمی سولفور نیز ظاهر شود.
مقیاسبندی سیستمهای قدرت میکروبی
در سال ۲۰۱۰، آزمایشها با Sporomusa ovata نشان داد که دیاکسید کربن تغذیهشده توسط الکترود میتواند به استات تبدیل شود و مفهوم عملی شد. اما راکتورهای مدرن هنوز با موانع بزرگی روبهرو هستند، شامل تحویل کند الکترون، افزایش اسیدیته و تجمع محصول که میتواند میکروبها را خفه کند.
تلاش ۲۰۱۷ با راکتورهای جریاندار تولید استات را افزایش داد و بازده انرژی را بهبود بخشید، اما سیستم هنوز فاصله زیادی با مقیاس صنعتی داشت. افزودن یک سولفاتزا دوطرفه ابزارهای بیوشیمیایی را گسترش داد، اما مهندسان هنوز باید سرعت، خلوص و هزینه را در تولید واقعی متعادل کنند.
ادغام برق و بازیافت کربن در یک میکروب، مسیر جدیدی برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر به شکل مواد شیمیایی بدون وابستگی به سوختهای فسیلی ارائه میدهد. کار آینده نیازمند راهاندازی طولانیمدت راکتورها، کنترل دقیق واکنشهای جانبی و نظارت برای حفظ استات به عنوان محصول اصلی است.
این مطالعه در ژورنال Energy & Environment Nexus منتشر شده است.
نتیجهگیری
کشف میکروبهای خاکی برقی افق تازهای در پیوند انرژی تجدیدپذیر و بازیافت کربن گشوده است و امکان تولید پایدار استات از دیاکسید کربن تنها با برق را فراهم میکند.
مقالههای مرتبط درباره کاربرد میکروبها در انرژی تجدیدپذیر را مطالعه کنید و نظرات خود را با ما به اشتراک بگذارید.
