Βιοηλεκτρισμός:Θα μπορούσαν τα βακτήρια να λύσουν την ενεργειακή μας κρίση;

Βιοηλεκτρισμός είναι η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ηλεκτροχημικά ενεργά βακτήρια ως αποτέλεσμα των μεταβολικών τους δραστηριοτήτων. Η αξιοποίηση της βιοηλεκτρικής ενέργειας είναι ένας καθαρός τρόπος απόκτησης ενέργειας.

Η κλιματική κρίση είναι ένα καυτό θέμα, όπως μας θυμίζουν η Γκρέτα Τούνμπεργκ και τα εβδομαδιαία ακραία καιρικά φαινόμενα. Ο παγκόσμιος πληθυσμός αυξάνεται, και μαζί του, οι απαιτήσεις των ανθρώπων. Η τρομερή κατάσταση της Γης είναι ένα καθημερινό θέμα σε όλο τον κόσμο. Η κοινή συναίνεση είναι ότι η απληστία και ορυκτά καύσιμα η κατανάλωση είναι οι κινητήριοι παράγοντες.

Η ανάγκη της ώρας είναι καθαρότεροι, πιο βιώσιμοι τρόποι παραγωγής της ενέργειας που χρειαζόμαστε. Εννοώ, σίγουρα, εναλλακτικές προσεγγίσεις βρίσκονται σε ανοδική πορεία, όπως η ηλιακή, η αιολική, η υδροηλεκτρική και η γεωθερμική ενέργεια, αλλά αυτές έχουν τους περιορισμούς τους, δεδομένου ότι είναι συγκεκριμένες για την τοποθεσία. Ένα υδροηλεκτρικό φράγμα χρειάζεται νερό που κινείται γρήγορα, τα ηλιακά πάνελ χρειάζονται ισχυρό ηλιακό φως και οι ανεμόμυλοι χρειάζονται επίπεδη, ανοιχτή γη.

Τι θα γινόταν αν υπήρχε ένας ανεξάρτητος από την τοποθεσία τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας; Παρόμοια με το πώς καίγεται ο άνθρακας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε τα απόβλητά μας για να δημιουργήσουμε ηλεκτρική ενέργεια; Αν ναι, πώς; Απλώς βάλτε στη δουλειά βακτήρια που παράγουν ηλεκτρισμό!

Τι είναι ο βιοηλεκτρισμός;

Ο βιοηλεκτρισμός είναι ο ηλεκτρισμός που παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς όπως βακτήρια, φύκια ή μύκητες. Όταν τους δίνεται μια νόστιμη πηγή τροφής—από σπατάλη τροφής μέχρι ξύλο—για να τραφούν και θα παράγουν μικρές ποσότητες ηλεκτρισμού ως αποτέλεσμα των μεταβολικών τους δραστηριοτήτων.

Ο όρος βιοηλεκτρισμός δεν είναι νέος. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1780 από τον Luigi Galvani, όταν έπληξε έναν φτωχό βάτραχο με κεραυνό για να δει αν οι μύες του θα συσπαστούν, κάτι που έγινε. Από τότε, οι βιολόγοι έχουν γοητευτεί από το πώς η ζωή δημιουργεί και χρησιμοποιεί τον ηλεκτρισμό. Μπορείτε να διαβάσετε την πλήρη συναρπαστική ιστορία πίσω από αυτό εδώ.

Πρόσφατα, ωστόσο, ο βιοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται πιο συχνά για να περιγράψει τον ηλεκτρισμό που παράγουν μικρότερες μορφές ζωής, όπως τα βακτήρια, και τον οποίο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε παραγωγικά.

Μπορούμε να δημιουργήσουμε αυτή την ενέργεια για τον εαυτό μας, τοποθετώντας τα βακτήρια σε μπαταρίες. Οι βιοχημικές αντιδράσεις που παράγουν βιοηλεκτρισμό συμβαίνουν σε μια συγκεκριμένη διάταξη εντός της μπαταρίας που περιέχει δύο ηλεκτρόδια, την οργανική ύλη (το υπόστρωμα) και τους μικροοργανισμούς. Αυτή η ρύθμιση ονομάζεται Μικροβιακή κυψέλη καυσίμου (MFC).

Τι είναι τα MFC;

Το MFC είναι ένα είδος κυψέλης καυσίμου, παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του Arnold Schwarzenegger στο Terminator 3.

Μια MFC λειτουργεί παρόμοια με μια συμβατική μπαταρία. Και οι δύο έχουν θετικό τμήμα με θετικό ηλεκτρόδιο (άνοδος) και αρνητικό τμήμα με αρνητικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος). Τα ηλεκτρόνια που παράγονται στο θετικό τμήμα συλλέγονται στην άνοδο και η διαδρομή τους στην κάθοδο παράγει το ηλεκτρικό ρεύμα.

Η διαφορά μεταξύ ενός MFC και μιας κυψέλης καυσίμου είναι ότι οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω μιας χημικής αντίδρασης, ενώ μια MFC παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέσω μιας βιολογικής διαδικασίας.

Μια σχηματική εικόνα ενός MFC. (Φωτογραφία:Bretschger O/Wikimedia Commons)

Τα βακτήρια υπάρχουν στην άνοδο (θετικά). Όταν τροφοδοτούνται υγιεινά με τροφή, θα απελευθερώσουν ηλεκτρόνια, τα οποία συλλέγονται από την άνοδο. Τώρα, υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια στην άνοδο παρά στην κάθοδο, επομένως τα ηλεκτρόνια θα φερμουάρ προς την κάθοδο. Το οξυγόνο, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια αντιδρούν στην κάθοδο (αρνητικά). Αυτή η ροή πρωτονίων και ηλεκτρονίων δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, που οδηγεί στη δημιουργία βιοηλεκτρισμού.

Η εξίσωση που δείχνει πώς διασπάται η σακχαρόζη για να απελευθερώσει πρωτόνια και ηλεκτρόνια.

Τι είδους μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται σε MFC;

Η επιστημονική ονομασία για τα βακτήρια είναι Ηλεκτροχημικά ενεργοί μικροοργανισμοί (EAMs). Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να μετατρέψουν τη χημική ενέργεια, την ενέργεια στα τρόφιμα, σε ηλεκτρική ενέργεια, την ενέργεια από τα ηλεκτρόνια σε μια μπαταρία. Για να κάνουν τη μαγεία τους από χημικό σε ηλεκτρικό, χρειάζονται ένα περιβάλλον χωρίς οξυγόνο (αναερόβιο), καθώς το οξυγόνο θα συνεχίσει να αρπάζει τα ηλεκτρόνια.

Δεν είναι όλοι οι ΕΑΜ καλοί βακτηριακοί υπάλληλοι. Ορισμένα είδη είναι πιο κατάλληλα, καθώς παράγουν πρωτεΐνες που επιτρέπουν την ευκολότερη μεταφορά ηλεκτρονίων. Geobacter και Shewanella είδη βακτηρίων χρησιμοποιούνται συνήθως σε MFC.

Ένα στέλεχος Shewanella – Σ. oneidensis Το MR-1 — είναι ένα από τα πιο μελετημένα και ευρέως αναλυμένα ΕΑΜ. Μπορούν να ζουν παρουσία ή απουσία οξυγόνου, είναι εύκολο να αναπτυχθούν και έχουν μια καλά τεκμηριωμένη αλληλουχία γονιδιώματος. Ωστόσο, πρωτίστως, η ικανότητά τους να μεταφέρουν εύκολα ηλεκτρόνια είναι ο λόγος που είναι τόσο επιθυμητά στα MFC.

Οι φυσικές μικροβιακές κοινότητες σε απόβλητα όπως τα λύματα ή εκείνες που βρίσκονται στον πυθμένα των βαλτωδών υδάτων είναι επίσης καλές στην παραγωγή βιοηλεκτρισμού. Μπορούμε απλώς να αξιοποιήσουμε αυτή τη φυσική λειτουργία για τις βιοηλεκτρικές μας ανάγκες.

Τα μικροφύκη είναι άλλοι αποτελεσματικοί μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βιοηλεκτρισμού από τα λύματα.

Ποια υποστρώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα βακτήρια;

Τα MFC σκοτώνουν δύο πουλιά με μια πέτρα—παράγουν ηλεκτρική ενέργεια ενώ διαλύουν τα απόβλητά μας. Παράγουμε μια τεράστια ποσότητα όλων των ειδών απορριμμάτων, τα οποία δυστυχώς καταλήγουν να απορρίπτονται σε χωματερές ή στη θάλασσα, ή καίγονται, απελευθερώνοντας τεράστιες ποσότητες επιβλαβών αερίων στον αέρα. Περίπου το 7-15% των παγκόσμιων ενεργειακών απαιτήσεων μπορεί να καλυφθεί με χρήση βιομάζας και τώρα μπορούμε να αξιοποιήσουμε όλα αυτά τα πιθανά απόβλητα.

Τα λύματα, τα απόβλητα τροφίμων, η λάσπη, τα ζωικά απόβλητα ή οποιοδήποτε είδος οργανικών αποβλήτων είναι όλα εξαιρετικές πηγές θρεπτικών ουσιών και ενέργειας που χρησιμοποιούν οι μικροοργανισμοί για να παράγουν βιοηλεκτρισμό. Αυτό εξακολουθεί να μας αφήνει πλαστικά απόβλητα, αλλά μπορεί να υπάρχουν ακόμη και βακτήρια που μπορούν να λύσουν αυτό το πρόβλημα.

Μια μικρή χώρα όπως η Ιαπωνία παράγει 20 εκατομμύρια τόνους τροφίμων και απορριμμάτων κουζίνας ετησίως. (Φωτογραφία:Antonello Marangi/Shutterstock)

Είναι ο βιοηλεκτρισμός το μέλλον;

Η παραγωγή βιοηλεκτρικής ενέργειας από MFCs είναι μια διαδικασία χωρίς ρύπανση. Η οργανική ύλη διασπάται αναερόβια από βακτήρια για να παράγει βιοηλεκτρισμό. Δεν υπάρχει καύση, παραγωγή τοξικών αερίων ή παραγωγή επικίνδυνων αποβλήτων. Είναι μια πράσινη και βιώσιμη μέθοδος παραγωγής ενέργειας.

Ωστόσο, ο μεγαλύτερος περιορισμός είναι τα χαμηλά ποσοστά παραγόμενης ισχύος. Επί του παρόντος, ο μέσος όρος MFC παρέχει τάση μόλις 0,5 V. Για να το θέσουμε σε προοπτική, μια μπαταρία Duracell AA παρέχει τάση 1,5 V.

Παρά τις μικρές ποσότητες παραγόμενης ενέργειας, τα MFC εξακολουθούν να έχουν τις χρήσεις τους. Μια μελέτη χρησιμοποίησε MFC για να τροφοδοτήσει μικρούς ασύρματους αισθητήρες που παρακολουθούν οικολογικούς χώρους. Καθώς οι MFC δεν χρειάζεται να επαναφορτιστούν, δεν υπήρχε φόβος ότι οι αισθητήρες θα αποτύχουν λόγω εξαντλημένων μπαταριών.

Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι δεν μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε ψυχρά κλίματα, η δραστηριότητα των βακτηρίων μειώνεται και ο μεταβολικός ρυθμός τους μειώνεται. Μέχρι να καταλάβουμε πώς να διατηρήσουμε τα βακτήρια φρυγανισμένα, επιτρέποντάς τους να διατηρήσουν την ενεργειακή τους απόδοση, συγγνώμη Καναδά, δεν συμμετέχετε σε αυτήν την ενέργεια.

Η τεράστια αφοσίωση των επιστημόνων συνίσταται στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας των MFC και στην εφαρμογή τους σε μεγάλη κλίμακα. Μια εμπνευσμένη ερευνήτρια στην ινδική πολιτεία Γκουτζαράτ, η Δρ Nasreen Munshi, δημιούργησε τη δική της μίνι μονάδα βιοηλεκτρισμού, αποτελούμενη αποκλειστικά από MFCs. Αυτή και οι συνεργάτες της ερευνητές μπόρεσαν να αξιοποιούν συνεχώς μικρές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας για μερικές εβδομάδες.

Ο κύριος στόχος των ερευνητών σήμερα είναι η εγκατάσταση μονάδας βιοηλεκτρισμού σε χώρους επεξεργασίας λυμάτων. Ακόμα κι αν δεν μπορούν να παράγονται συνεχώς χρησιμοποιήσιμες ποσότητες ενέργειας, όποιος βιοηλεκτρισμός δημιουργείται μπορεί να αποθηκευτεί σε πυκνωτές. Μόλις η ποσότητα του βιοηλεκτρισμού φτάσει σε επαρκές επίπεδο, μπορεί να αποφορτιστεί από τον πυκνωτή.

Η χρήση βιοηλεκτρισμού από την MFC είναι καινοτομία στα καλύτερά της. Όσο υπάρχει οργανική ύλη και τα βακτήρια ζουν στη γη, τα MFC θα μπορούσαν να είναι μια βιώσιμη μακροπρόθεσμη πηγή ενέργειας. Στα χαρτιά, τέτοιοι MFC είναι μια έξυπνη λύση που αντιμετωπίζει το πρόβλημα τόσο της ενέργειας όσο και των απορριμμάτων μας. Τα βακτήρια θα πηδήξουν από χαρά (αν μπορούσαν να νιώσουν χαρά ή να πηδήξουν) όταν τρέφονται με τις τεράστιες ποσότητες οργανικών αποβλήτων μας και θα χαρούμε απίστευτα να πάρουμε την ενέργεια που προκύπτει ως αντάλλαγμα.

Φανταστείτε σε μερικές δεκαετίες, τα σπίτια ή τα κτίρια των ανθρώπων θα έχουν MFC συνδεδεμένα σε αυτά. Αντί να πετάμε τα απόβλητά μας σε έναν κάδο σκουπιδιών, μπορεί να τα πετάξουμε σε αυτά τα μικροσκοπικά κελιά που θα τα μετατρέψουν στην ηλεκτρική ενέργεια που τροφοδοτεί τα φώτα μας. Με άλλα λόγια, όχι άλλο να βγάζετε τα σκουπίδια!