Бактерии, които продуцират чиста електроенергия

Какво представлява храненето? Набавяне на нужните вещества за поддържане на метаболитна активност, изграждане и обновяване на клетките. За осъществяването на всичко това от храната се набавят източници на въглерод (като въглехидрати и мазнини), азот (протеини и неорганични съединения) и други елементи. Но има нужда и от енергия, която някои организми си набавят от фотони (фотосинтеза), други чрез химични реакции (хетеротрофен метаболизъм), а трети чрез по-екзотични методи. Наскоро бяха открити бактерии, които могат да консумират енергия в чист вид – електричество и такива, които могат да я продуцират и предават.

Въпросните бактерии се намират в кални местообитания на не малка дълбочина (все пак почвата е първоизточник на микроорганизмите). Когато консумират органична материя в безкислородни условия, те продуцират въглероден диоксид, протони и електрони. Чрез електрохимично активни протеини, които са инкрустирани в клетъчната мембрана, някои бактерии могат директно да пренесат електроните в електропроводими материали, при което се продуцира електричество, което може да бъде използвано. Този процес се нарича микробна електрогенеза и може да е в основата на нов зелен метод за добив на енергия. Самият процес не трябва да ни изненадва, защото и ние хората постоянно управляваме приток от електрони. Когато консумираме въглехидрат (и не само), от него се отделят множество електрони, които чрез дихателни вериги се „закачат“ към вдишания кислород. Кислородът е техен краен акцептор. Затова ние продуцираме въглероден диоксид, а не насищаме околната среда с електричество (електрони).

Електрогенните бактерии се намират в множество анаеробни среди, включително речни седименти, езера и морета. Най-добре са охарактеризирани са родовете Geobacter и Shewanella. Представителите на този род се прикрепят към железни и минерални частици в седиментите.

Бактериален екстрацелуларен електронен трансфер може да бъде използван за конвертиране на химична енергия в електрическа чрез специални горивни клетки. Такъв вариант е микробната горивна клетка (MFC), в която бактериите продуцират електроенергия чрез окисляване на органична материя – например отпадни води. Клетката се състои от два сектора – катоден и аноден, които са разделени от мембрана, която е селективна за положително заредени йони. При анода „горивото“ се окислява от микроорганизмите, които генерират електрони и протони. Електроните се пренасят в катодния сектор чрез външна преносна верига, а протоните преминават свободно през мембраната.

Горивните клетки могат да бъдат поставени в естествени местообитания, където почвата и растенията ще предоставят естествен субстрат за генериране на чиста енергия, а процесът ще е почти непрекъснат.

Перспективите за пречистване на водоизточници са също големи. Към момента отпадни води се третират чрез аеробни микроорганизми, които генерират огромно количество биомаса и се нуждаят от не малко количество кислород. Това е проблем. В сравнение повечето анаеробни бактерии генерират малко биомаса (което е плюс), но отделят метан – парников газ. Новооткритите електробактерии обаче са идеални кандидати за екологично пречистване на води – генерират малко количество маса и чиста електроенергия.

Интересна е и възможността за създаване на биомашини, които да извършват определено, желано от нас действие, а енергията за него да се самопроизвежда от наличния органичен субстрат.

Тези бактерии могат и да ни помогнат да установим какъв е минимумът енергия, който е нужен за поддържане на живот.

Това направление е ново, бурно развиващо се и обещава да промени начина, по който произвеждаме енергия.