Бактериальный ток или возобновляемая энергия на микробах.

Общие принципы микробных топливных элементов (MFC). Фото: профессор Брюс Эрнест Логан и др., Университет штата Пенсильвания, 2006 г.

Во-первых – для тех, кто не в курсе – да: мы на самом деле можем вырабатывать электроэнергию из микроорганизмов в качестве альтернативы обычной энергии из воды, ветра, солнца или пара. Уже более сотни лет учёные изучают способность самых маленьких живых существ на Земле производить энергию не для естественной своей деятельности. Такое преобразование называется биоэлектрохимической системой.

Электричество от микроорганизмов

Микробный топливный элемент (MFC) – это преобразователь химической энергии органических веществ в электричество с помощью микроорганизмов. Настоящая биотехнология в действии, на которой основывается биоэлектрохимическая система.

Но как же всё-таки бактерии могут вырабатывать электричество, да ещё и столько, чтобы иметь потенциал стать источником возобновляемой энергии?

Дело в том, что MFC работает аналогично батареям. Другими словами – система как обычно имеет анодную и катодную камеры (отрицательный и положительный электроды соответственно), между которыми происходит обмен электронами, выделяемыми в аноде как раз с помощью микроорганизмов. Именно они способствуют разложению органических или неорганических веществ (субстратов) анодной камеры, благодаря чему электроны и образуются. Далее эти электроны текут от анода к катоду через внешнюю цепь из проводящих материалов или подключённые устройства.

Возобновляемый энергетический потенциал

Обязательно нужно отметить, что исследования микробных топливных элементов – это, конечно, быстро развивающаяся область, но в ней пока отсутствуют устоявшаяся терминология и методы анализа производительности систем. Построение и анализ этих элементов требует знаний в различных областях науки и техники – от микробиологии и электрохимии до материаловедения и экологической инженерии. Мало того – и в описании систем MFC никак не обойтись без понимания столь разных научных и инженерных принципов. Поэтому весьма затруднено, например, даже простое сравнение устройств на эквивалентной основе, что сдерживает научные изыскания в целом.

Однако исследователи элементов MFC из ряда целого стран сосредоточено ищут решение задачи по налаживанию производства возобновляемой энергии и управлению отходами в крупных коммерческих масштабах.

Примеры варьируются от переработки отходов пивоваренного завода в Китайском Харбине до обработки воды из озера в Икапуи (Бразилия). С одной стороны, это в обоих случаях снизит счета, ведь системы MFC могут вырабатывать электроэнергию без дополнительных источников питания. А с другой – на данный момент мы всё ещё недостаточно изучили вопрос для уверенного производства и эксплуатации MFC, особенно в коммерческих масштабах.

Хотя сейчас компаний, известных применением технологии в таких объёмах, уже немало. Наиболее яркие представители базируются в США, Канаде и Нидерландах. Кроме того, NASA также приняло на вооружение технологию MFC аж в 2006 году, что вылилось в сотрудничество с компанией Cambrian Innovation. В результате, уже в 2011 году был разработан микробный топливный элемент, который преобразует углекислый газ из воздуха внутри космического корабля в кислород, воду и метан.

Несмотря на эти улучшения, нам всё ещё необходимы дальнейшие исследования для повышения эффективности, производительности, экологичности и стабильности данной технологии.

Правильный вид микроорганизма

Решающим фактором в этом деле является выбор микроорганизмов, соответствующих задаче выработки энергии.

На сегодня группы бактерий, способных переносить электроны от своих клеток к электродам (так называемые экзоэлектрогены), – это Geobacter и Shewnella. Некоторые из их числа оказались просто-таки выдающимися в своём роде. Так, организмы Geobacter surreducens KN400 могут генерировать до 3,9 Вт электроэнергии на квадратный метр площади анода. А Shewanella putrefaciens даже превосходят их: они производят до 4,4 Вт/м². В то же время американское космическое агентство для генерации энергии на космических кораблях выбрало грамотрицательные бактерии вида Shewanella oneidensis. Но, конечно, известны и другие микроорганизмы, которые также демонстрируют экзоэлектрогенные способности.

Однако поиски оптимальных вариантов не прекращаются. И вот в результате исследований Кришны Катури из Национального университета Ирландии в Голуэе и его коллег из Университета науки и технологий имени Короля Абдаллы в Саудовской Аравии обнаружен новый экзоэлектрогенный микроорганизм, Desulfuromonas acetexigens.

На самом деле экзоэлектрогены, являясь по природе своей такими же бактериями, что и остальное богатство мира микроорганизмов, можно встретить практически всюду – в сточных водах, компосте, навозе, грязи, речных или озёрных отложениях, болотах, морских и прочих экосистемах. Например, вид Dietzia sp. RNV-4 был найден командой исследователей из Университета Буэнос-Айреса в отложениях аргентинской реки.

Потенциал для Индонезии

Индонезия – страна с одним из самых высоких уровней биоразнообразия в мире, что, разумеется, включает и микроорганизмы. Их ассортимент здесь настолько впечатляет, что до сих пор неизученными остались – только вдумайтесь! – 90% этого богатства. С одной стороны, тут есть о чём сожалеть, а с другой – есть и на что надеяться.

В этом смысле потенциал этих мест предстаёт просто невероятным и воодушевляет учёных. Ведь при более тесном сотрудничестве с промышленностью можно будет управлять микроорганизмами как возобновляемым источником энергии для Индонезии.

Шаги в этом направлении уже делаются. Предпринята обработка сточных вод от завода, производящего популярный соевый творог тофу; ведётся переработка пищевых отходов и воды, отходов производства ещё одной распространённой в тропических странах пищи – тапиоки. В последнее время к успехам индонезийских биоэлектрохимических исследований можно отнести также и MFC для выработки электроэнергии из рисовых полей. Однако это только штучные проекты, и подобные исследования в более широком масштабе всё ещё предстоят.

Исходя из результатов изучения ситуаций с применением микроорганизмов в качестве источника альтернативной энергии в других странах, можно утверждать, что Индонезия имеет колоссальные возможности развивать свой потенциал на этом поприще. Это развитие, конечно, потребует поддержки и сотрудничества со стороны всех заинтересованных сторон – учёных, биоинженеров, разработчиков, лабораторий, промышленности, представителей бизнеса и правительства.

Да, объединение часто бывает делом не простым, но давайте-ка оценим мотивацию: после успешного развития эта технология сможет решить проблему электроснабжения целой страны, оставив далеко позади ископаемое топливо.

Неплохой пример миру, не правда ли?

АРМК, по материалам The Conversation.