A PHP Error was encountered

Severity: Notice

Message: Only variable references should be returned by reference

Filename: core/Common.php

Line Number: 257

A PHP Error was encountered

Severity: Warning

Message: Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /home/biomagaz/cwcms_core/system/core/Exceptions.php:185)

Filename: core/Security.php

Line Number: 188

A PHP Error was encountered

Severity: Warning

Message: Cannot modify header information - headers already sent by (output started at /home/biomagaz/cwcms_core/system/core/Exceptions.php:185)

Filename: libraries/Session.php

Line Number: 672

BIO Magazine - Ηλεκτρισμός από μικρόβια: οι εξελίξεις της χρονιάς Δεκέμβριος 2015
Δεκέμβριος 2015 No38

BIO Science

Ηλεκτρισμός από μικρόβια: οι εξελίξεις της χρονιάς
Ηλεκτρισμός από μικρόβια: οι εξελίξεις της χρονιάς

Η εξάντληση των φυσικών πόρων του πλανήτη έχει επισημανθεί από τους επιστήμονες, οι οποίοι προειδοποιούν και εκφράζουν την αγωνία τους με όλους τους τρόπους προς τους αρμόδιους για τους κινδύνους που ελλοχεύουν. Οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας από την αξιοποίηση πηγών που δεν εξαντλούνται, όπως η ηλιακή ενέργεια και η αιολική, χρησιμοποιούνται ήδη σε καθημερινές εφαρμογές. Όμως, οι ερευνητές στρέφονται και σε άλλες μορφές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπως από τα μικρόβια, από τα οποία -με τις καινοτόμες τεχνολογικές δυνατότητες που διαθέτουμε- μπορούν, με μηδενικό κόστος, να παραχθούν ικανοποιητικά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας, αξιοποιώντας ταυτόχρονα τα βλαβερά απόβλητα. Αν και υπάρχει ακόμα δρόμος να διανυθεί, η αισιόδοξη προοπτική που μας υπόσχονται οι βιοεπιστήμονες παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον.

Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από μικρόβια έχει τραβήξει το ενδιαφέρον πολλών επιστημονικών ομάδων αλλά και κυβερνητικών φορέων διεθνώς, κυρίως τα τελευταία δέκα χρόνια. Αυτό συμβαίνει επειδή η συγκεκριμένη μέθοδος είναι εξαιρετικά φτηνή και φιλική προς το περιβάλλον, σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αφού θα μπορούσε να οδηγήσει στην αξιοποίηση αστικών, βιομηχανικών ή αγροτικών λυμάτων για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Όμως, η απόδοση αυτών των τεχνικών είναι ακόμα αρκετά χαμηλή και συνεπώς απαιτείται περαιτέρω βελτιστοποίηση και έρευναπριν εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα.

 

Μicrobialfuelcells

Οι συσκευές,μεσα στις οποίες γίνεται δυνατή η μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική με τη μεσολάβηση των μικροοργανισμών, ονομάζονται μικροβιακές κυψελίδες καυσίμωνή microbialfuelcells (MFCs) (Εικόνα 1).

Φωτογραφία μιας μικροβιακής κυψελίδας καυσίμων

Τα MFCs είναι βίο-ηλεκτροχημικά συστήματα,στα οποία μεγαλώνουν τα μικρόβια σε υγρό μέσο που μπορεί να είναι είτε καθαρό θρεπτικό υλικό καλλιέργειας που χρησιμοποιείται καθημέρινά στο εργαστήριο είτε μικρή ποσότητα αστικού ή αγροτικού λύμματος. Καθώς μεγαλώνουν τα μικρόβια,μεταβολίζουν τα σάκχαρα του θρεπτικού μέσου. Σε αερόβιες συνθήκες, δηλαδή με παρουσία οξυγόνου στο σύστημα, τα προϊόντα του μεταβολισμού των σακχάρων είναι το διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Όμως, όταν η μικροβιακή καλλιέργειαμεγαλώνει σε αναερόβιες συνθήκες, τότε εκτός από διοξείδιο του άνθρακα παράγονται 48 ιόντα υδρογόνου και 48 ηλεκτρόνια ανά μόριο γλυκόζης. Τα ηλεκτρόνια αυτά μπορούν να συλλεχθούν από χημικούς μεσολαβητές, όπως η θειονίνη για παράδειγμα, και να μεταφερθούν από το εσωτερικό των κυττάρων σε ηλεκτρόδια μέσα στο MFC, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα, η ενέργεια του οποίου μπορεί στη συνέχεια να τροφοδοτήσει μικρές συσκευές ή να αποθηκευτεί.

Η δομή ενός τυπικού MFC παρουσιάζεται στην Εικόνα 2 και περιλαμβάνει ένα ηλεκτρόδιο (άνοδος) που συλλέγει τα ηλεκτρόνια που παρέχει η μικροβιακή καλλιέργεια στο αναερόβιο τμήμα και ένα δεύτερο ηλεκτρόδιο (κάθοδος) στο αερόβιο τμήμα, στο οποίο μεταφέρονται τα ηλεκτρόνια από την άνοδο μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος. Ταυτόχρονα, τα ιόντα υδρογόνου που παράγουν τα μικρόβια μπορούν να μεταφερθούν μέσω μιας ειδικής μεμβράνης στην κάθοδο, όπου θα συναντήσουν τα ηλεκτρόνια και άτομα οξυγόνου σχηματίζοντας νερό.

 

Η δομή και η αρχή λειτουργίας μιας μικροβιακής κυψελίδας καυσίμων

 

Οι σημαντικότερες έρευνες του 2013

Μέσα στο 2013, πολλές ερευνητικές ομάδες δημοσίευσαν επιστημονικές μελέτες πάνω στη βελτίωση της λειτουργίας και της απόδοσης αυτών των συστημάτων. Παρακάτω, θα δούμε τις τρεις σημαντικότερες.

Το Μάρτιο, ερευνητές στο UniversityofEastAnglia, στη Μεγάλη Βρετανία, δημοσίευσαν μία μελέτη πάνω στις μεμβρανικές πρωτεΐνες στο θαλάσσιο βακτήριο Shewanellaoneidensis,που αναπτύσσεται στην επιφάνεια των βράχων του βυθού και ζει μεταβολίζοντας το σίδηρο που περιέχουν. Οι επιστήμονες αποκρυπτογράφησαν τη δομή και το μηχανισμό λειτουργίας των μεμβρανικών πρωτεϊνών που δρουν ως κανάλια για την εξαγωγή των ηλεκτρονίων από το κύτταρο στο ανόργανο υπόστρωμα. Η κατανόηση αυτού του μηχανισμού θα επιτρέψει το σχεδιασμό αποδοτικότερων MFCs, στο προσεχές μέλλον.

Το Σεπτέμβριο, ερευνητές στο Στάνφορντ χρησιμοποίησαν οξείδιο του αργύρου ως υλικό για την κάθοδο, το ηλεκτρόδιο που συγκεντρώνει τα ηλεκτρόνια που προέρχονται από την άνοδο. Με το σύστημα που ανέπτυξαν, το 30% της χημικής ενέργειας που προστέθηκε στο θρεπτικό με μορφή γλυκόζης μετατράπηκε σε ηλεκτρική. Η απόδοση αυτή είναι συγκρίσιμη με αυτή της μεθόδου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το μεθάνιο, που προκύπτει έπειτα από βιοεπεξεργασία φυτικής βιομάζας, κάτι που κάνει τη μέθοδο των επιστημόνων του Στάνφορντ ένα δυνατό πιόνι στη σκακιέρα της βιοενέργειας. Όμως, το υψηλό κόστος του αργύρου ως πρώτη ύλη για την κατασκευή ηλεκτροδίων καθόδου είναι ένας περιοριστικός παράγοντας για την αναβάθμιση αυτής της μεθόδου σε μεγάλη κλίμακα.

Τέλος, τον Οκτώβριο, ερευνητές στο Arizona State University σχεδίασαν ένα πολύ έξυπνο σύστημα, στο οποίο μεγάλωσαν ταυτόχρονα δύο είδη βακτηρίων, που συνεργάζονται μεταξύ τους για την αποδοτικότερη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Η επιστημονική ομάδα ρύθμισε τη φωτοπερίοδο κατά τέτοιο τρόπο, ώστε με το φως του ήλιου το φωτοσυνθετικό βακτήριο Chlorobium να συνθέτει και να αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες γλυκογόνου (αλυσίδες γλυκόζης), ενώ στο σκοτάδι να το μετατρέπει σε οξικό οξύ. Επίσης, στο σκοτάδι, το άλλο μικρόβιο (του γένους Geobacter) μεταβολίζει το οξικό οξύ και παράγει πληθώρα ηλεκτρονίων που μεταφέρονται στο ηλεκτρόδιο της ανόδου, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα (Εικόνα 3). 


Μέθοδος παραγωγής ηλεκτρισμού, που περιλαμβάνει την παράλληλη καλλιέργεια δύο βακτηριακών ειδών μέσα στο ίδιο MFC, στο φως και στο σκοτάδι.

Η μέθοδος αυτή εκμεταλλεύεται τη φωτοσυνθετική ικανότητα του ενός από τα δύο είδη, με την οποία πολλαπλασιάζει τη γλυκόζη που προϋπήρχε στο θρεπτικό μέσο,αυξάνοντας, συνεπώς,και την απόδοση παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος, αν και αυτό μένει ακόμα να αποδειχθεί. Το πρωτοποριακό αυτό σύστημα ονομάζεται μικροβιακή φωτοηλεκτροχημική κυψελίδα (microbial photoelectrochemical cell (MPC)) και φαίνεται πολλά υποσχόμενο.

 

Σίγουρα, η τεχνολογία των MFCs έχει αρκετό δρόμο να διανύσει ακόμα πριν αρχίσει να εφαρμόζεται σε μεγάλη κλίμακα και καθημερινή βάση για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του σύγχρονου ανθρώπου. Όμως, είναι δύσκολο να υποτιμήσει κανείς την προοπτική μιας τέτοιας καινοτόμου τεχνολογίας η οποία με σχεδόν μηδενικό κόστος μας απαλλάσει από βλαβερά απόβλητα, παράγοντας ταυτόχρονα ικανοποιητικά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας.

Πηγές:

  1. White GF, Shi Z, Shi L, Wang Z, Dohnalkova AC, Marshall MJ, Fredrickson JK, Zachara JM, Butt JN, Richardson DJ, Clarke TA. (2013). Rapid electron exchange between surface-exposed bacterial cytochromes and Fe(III) minerals. ProcNatlAcadSci U S A. 110(16):6346-51.
  2. http://news.stanford.edu/news/2013/september/wired-microbes-electricity-091613.html
  3. Xing Xiea, Meng Yea, Po-Chun Hsub, NianLiuc, Craig S. Criddlea and Yi Cuib (2013). Microbial battery for efficient energy recovery. ProcNatlAcadSci U S A. 110 (40): 15925–15930.
  4. http://www.sciencedaily.com/releases/2013/10/131008102549.htm
  5. Badalamenti JP, Torres CI, Krajmalnik-Brown R. (2013). Coupling dark metabolism to electricity generation using photosynthetic cocultures. BiotechnolBioeng. [Epub ahead of print]
  6. Badalamenti JP, Torres CI, Krajmalnik-Brown R. (2013). Light-responsive current generation by phototrophically enriched anode biofilms dominated by green sulfur bacteria. BiotechnolBioeng. 110(4): 1020-7.

Πηγές εικόνων:

  1. http://www.kurzweilai.net/major-advance-in-generating-electricity-from-wastewater
  2. http://masticatedscience.files.wordpress.com/2010/06/mfc-designsvg.jpg
  3. http://www.sciencedaily.com/releases/2013/10/131008102549.htm

 

ΑΡΘΡΟ του Γιώργου Ευθυμίου, Διδάκτορα Βιοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου του Surrey (Αγγλία)

<< Επιστροφή στην λίστα

© BIO | info@biomagazine.gr

Powered by CreativeWorks