البكتيريا مكهربة

يمكن أن تكون البكتيريا أيضًا مصدرًا للكهرباء – حيث يمكن تحويل الطاقة المنتجة من عملية التمثيل الغذائي البكتيري مباشرة إلى تيار كهربائي، يمكن استخدامه في المنتجات التي تحتاج إلى الكهرباء في الأماكن النائية غير المتصلة بشبكة الكهرباء

تنتج البكتيريا الأثرية (أو العتائق) غاز الميثان، الذي يمكن حرقه لإنتاج الطاقة الكهربائية. ونعرف أيضًا البكتيريا التي تنبعث منها الهيدروجين الجزيئي، والذي يمكن أيضًا حرقه لإنتاج الطاقة الكهربائية. هناك بكتيريا تنتج الإيثانول، والذي يمكن استخدامه أيضًا لإنتاج الطاقة.

وتبين أنه من الممكن استخلاص الطاقة من بكتيريا معينة بطرق أكثر مباشرة وكفاءة – حيث يمكن تحويل الطاقة المنتجة من عملية التمثيل الغذائي البكتيري مباشرة إلى تيار كهربائي، يمكن استخدامه في المنتجات التي تحتاج إلى الكهرباء في الأماكن النائية التي غير متصلة بشبكة الكهرباء - مثل أجهزة الاستشعار والمصابيح الكهربائية والهواتف اللاسلكية.

إن قدرة البكتيريا على توليد الكهرباء معروفة منذ ما يقرب من قرن من الزمان؛ ولكن فقط في السنوات الأخيرة، نتيجة لارتفاع أسعار النفط والبحث عن مصادر بديلة للطاقة، ومن تطور الفهم والمعرفة فيما يتعلق بالآليات الفسيولوجية التي يتم من خلالها نقل الإلكترونات كجزء من عمليات تحويل الطاقة، ومن تطور تكنولوجيا خلايا الوقود، هل بدأوا في محاولة تطبيق هذه القدرة بطريقة عملية.

ولم يتم تطبيق خلايا الوقود البكتيرية تجاريا بعد، لكن أبحاثهم واهتمامهم بها آخذ في التوسع في السنوات الأخيرة. وهناك نية لاستخدامها، من بين أمور أخرى، كوسيلة لمعالجة مياه الصرف الصحي (عندما تستخدم المواد العضوية الموجودة في مياه الصرف الصحي كمصادر للطاقة للبكتيريا) وكمصادر للكهرباء في المناطق النائية والمعزولة.

بدأ تاريخ خلايا الوقود البكتيرية في وقت مبكر من عام 1911، عندما قام مايكل بوتر بتوصيل الأقطاب الكهربائية بمحلول يحتوي على البكتيريا ومحلول معقم، وأظهر

مرور تيار كهربائي بين المحاليل. وقد تم تحقيق تحسن في خلايا الوقود البكتيرية في عام 1931، عندما أضافوا المواد التي تحمل الإلكترونات (البوتاسيوم فيريسيانيد، البنزوكينون) إلى القطب الموجب. أصبح من الواضح لاحقًا أن بعض البكتيريا لا تحتاج إلى مثل هذه الناقلات، وذلك لأنها تحتوي على حاملات إلكترونية طبيعية في غشائها وأحيانًا حتى هياكل بروتينية معقدة، والتي تقع خارج الخلية البكتيرية وتسمح بالمرور الفعال للإلكترونات من البكتيريا المانحة إلى البكتيريا الأخرى أو إلى القطب. وتسمى هذه الهياكل، التي هي في الأصل شعيرات البكتيريا، بالأسلاك النانوية الميكروبية.

في ظل ظروف المختبر، عندما تم إدخال مزارع نقية من بكتيريا Geobacter sulfurreducens أو بكتيريا Shewanella oneidensis في الأنود، كانت قادرة على توليد الكهرباء وحتى اتباع خطوات العملية. ولكن عندما يتعلق الأمر بالبكتيريا من مصادر خارجية، على سبيل المثال تلك التي تأتي من المجاري، فقد تبين أن البكتيريا من مختلف الأنواع تندمج في عملية إنتاج الكهرباء وأنها تشكل أغشية بيولوجية على القطب الموجب.

البكتيريا التي تنتج الكهرباء (الكهرباء)

تم اكتشاف بكتيريا Geobacter metallireducens في عام 1987 في القاع الموحل لنهر بوتوماك في واشنطن، من قبل مجموعة بحث البروفيسور ديريك لفلي من جامعة ماساتشوستس. وفي وقت لاحق، تم العثور على أنواع إضافية من جنس Geobacter في مصادر أرضية ومائية إضافية. حاليا، يتم تعريف 13 نوعا في جنس.

الجيوباكتر هي مفاتيح لاهوائية، تستخدم أيونات معدنية (بدلاً من الأكسجين) كمستقبلات نهائية للإلكترون في عملية التنفس. ويمكن استخدامها لتنقية المياه من المعادن والشوائب العضوية.

تمتلك بكتيريا Geobacter بوابات خاصة مصنوعة من البروتينات، والتي تسمح للبكتيريا بالتبرع بالإلكترونات، سواء للبكتيريا الأخرى أو للقطب الكهربائي. ويبلغ قطر الشعيرات الدموية حوالي 5-3 نانومتر، وطولها حوالي 20 ميكرومتر (10 أضعاف طول البكتيريا) - ويغطيها البروتين الذي يعتبر آخر حامل للإلكترون في السلسلة - والذي يتبرع بالإلكترونات إلى الخلايا. المستقبل النهائي للإلكترون . وبعد فصلها عن كميات كبيرة من البكتيريا، سيكون من الممكن استخدام هذه الشعيرات الدموية في الصناعة الإلكترونية كموصلات صغيرة (أسلاك نانوية).

البكتيريا في جنس الشوانيلا هي أيضًا بكتيريا هوائية، تستخدم أيونات المعادن كمستقبلات طرفية للإلكترون، وتستخدمها لتنظيف المياه من شوائب السترونتيوم والكروم. ولكن على عكس الشعيرات الدموية في Geobacter، فإن العديد من الشعيرات الدموية في Shewanella تلتف معًا وتشكل موصلات يبلغ قطرها حوالي 50 نانومتر. حاليا، يتم تعريف 49 نوعا في جنس.

لا تزال تكنولوجيا خلايا الوقود البكتيرية في مهدها، ولكن الجمع بين التنظيف البيئي وتوليد الكهرباء عن طريق البكتيريا يبدو واعدا.

يقوم الدكتور درور بار نير بتدريس علم الأحياء الدقيقة وبيولوجيا الخلية في الجامعة المفتوحة. تم نشر المقال في مجلة "جاليليو".