Электричество из грязи, с помощью бактерий. Бактерии для электричества

Сейчас учёные работают над созданием замкнутой системы жизнедеятельности, необходимой для длительного полёта. В Институте медико-биологических проблем проводятся эксперименты, которые ещё совсем недавно показались бы фантастикой.

Полезная утилизация космического мусора

Человечество давно стремится к освоению Солнечной системы. Сейчас учёные спорят, каким должен быть двигатель межпланетного корабля, надо ли возвращать межпланетных путешественников на Землю, как защититься от радиации и создать замкнутую систему жизнедеятельности во время длительного перелёта.

Остро стоит проблема переработки космического мусора. Часть отходов из российского модуля возвращается с грузовым кораблём «Прогресс» на Землю. Во время дальнего космического полёта такой возможности не будет. И здесь на помощь космонавтам могут прийти бактерии.

Учёные лаборатории «Микробная экология» из Института медико-биологических проблем занимаются подобными исследованиями не первый год. Исследуя явление биоэлектричества, учёные пришли к выводу, что, если грамотно использовать процесс переработки и утилизации отходов при помощи бактерий, можно создать маленький биотопливный реактор.

Средний микробный топливный элемент (МТЭ) даёт примерно 0,7 вольта. При сопротивлении около 100 КОм это можно сравнить с работой ½ пальчиковой батарейки, - объясняет руководитель лаборатории Вячеслав Ильин.

Этого достаточно, чтобы, например, запитать светодиодную лампочку.

В наше время биоэлектричество как научное направление переживает настоящий ренессанс, - считает Вячеслав Константинович.

Примечательно, что первый источник постоянного тока - гальванический элемент - был изобретён итальянским учёным Вольтом в 1800 году, после того как он ознакомился с работой И. Гальвани «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывается наличие электрического тока в мышцах животных.

Первая «батарейка» была громоздкой, представляла собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой. И вот история биоэлектричества сделала заметный виток. На повестке дня стоит вопрос об использовании микробных топливных

Элементов.

«Бактериальная» батарейка

Типичный микробный топливный элемент состоит из двух камер, соединённых протонопроводящей мембраной: закрытой от доступа воздуха анодной камеры с бактериями, где находится электрод (анод), и субстрат, например сточные воды; и катодной камеры с водой.

Бактерии поглощают углеводы и выделяют углекислый газ (СО 2) и протоны (Н+), а также электроны (e‑). Протоны через мембрану попадают в катодную камеру. Бактерии избавляются от электронов, сбрасывая их на анод, затем электроны по внешней цепи поступают на катод, где соединяются с протонами и кислородом воздуха, в результате чего образуется вода. Обычно основной процесс МТЭ описывают следующим химическим уравнением: 1/2O 2 +2e-+2H+=H 2 O.

Сила тока при этом минимальная - она измеряется микроамперами.

Учёные проводят эксперименты, подзаряжая различные приборы биоэлектричеством, получаемым из сточных вод. Так, на базе Института медико-биологических проблем в течение 520 суток бесперебойно работал анализатор содержания в воздухе СО 2 и О 2 , подпитываемый МТЭ. Микробный топливный элемент был заправлен активным илом, собранным на Курьяновской станции аэрации.

Длительность эксперимента выбрана не случайно: 520 суток - рассчитанная российскими учёными оптимальная длительность полёта исследовательской группы к Марсу и обратно на Землю.

Средний микробный топливный элемент (МТЭ) даёт примерно 0,7 вольта. При сопротивлении около 100 КОм это можно сравнить с работой ½ пальчиковой батарейки, этого достаточно, чтобы, например, запитать светодиодную лампочку.

В июле 2014 года был проведён эксперимент на борту спутника «Фотон-М4». В течение 30 суток один МТЭ находился в стратосфере на высоте 570 км, где телеметрии можно было следить за продукцией биоэлектричества, а второй такой же - на Земле. Оказалось, что количество биоэлектричества, вырабатываемое в космосе и на Земле, сопоставимо. Приборы заправлялись илом городской станции аэрации.

А ещё сотрудники института исследовали биоэлектрический потенциал гейзеров и термальных источников Камчатки, где тоже скапливается активный ил.

Соединив последовательно три термальных источника, нам удалось запустить часы, - рассказывает Ильин.

Так, может быть, биоэлектричество станет панацеей в решении проблем альтернативной энергетики?

Нет, даже если мы захотим получить 220 Вт и последовательно включим пару сотен МТЭ, то мы хоть и получим 220 Вт, но сила тока всё равно будет минимальной - она измеряется в микроамперах, - вносит ясность Денис Коршунов, младший научный сотрудник лаборатории «Микробная экология».

Мы, конечно, надеялись на лучшее, провели много исследований на Камчатке, проверяли и серные гейзеры, и железистые. Упорно делали замеры, несмотря на то, что к нам подходили медведи и периодически расшвыривали наше оборудование. Но, увы, сила тока минимальна, -

Констатирует профессор Ильин.

В результате от замысла использовать МТЭ в промышленных целях пришлось пока отказаться. Сейчас микробные топливные элементы рассматриваются как средство исследования метаболизма бактерий, их внешних дыхательных цепей, ведь бактерии дышат не только кислородом.

Возможно, придёт время использования МТЭ в промышленности. В Голландии, например, уже получают электричество на очистных станциях.

Это стало возможным благодаря дотациям государства, которое финансирует разработки в области альтернативных источников энергии. Но пока электростанции на полях аэрации не окупаются.

Энергия внутри нас

Бактерии, которые живут в организме человека, по мнению учёных, могли бы принести ощутимую пользу в борьбе с тяжёлыми заболеваниями.

Поперечно-ободочная кишка человека может служить средой для работы микробных топливных элементов, - рассуждает Денис Коршунов.

Размеры такого МТЭ могут достигать всего нескольких квадратных сантиметров, а энергии, которая будет вырабатываться, вполне хватит для подзарядки кардиостимулятора, диабетической помпы, слухового аппарата или другого встроенного в организм медицинского устройства.

На борту космического корабля это, конечно, не пригодится, поскольку на орбите работают люди, у которых нет проблем со здоровьем. Зато МТЭ могут помочь в создании замкнутого жизненного цикла во время длительных межпланетных путешествий.

В 2021 году в космос будет запущен спутник «Бион-М2». Полёт пройдёт на высоте 1000 км. Там бактериям устроят испытание: в их деятельность будут привноситься факторы радиации, тяжёлого неионизирующего излучения и ослабленного магнетизма.

Я смотрю на жизнь оптимистично и надеюсь, что прорыв в использовании биоэлектричества ещё впереди. На мой взгляд, это может произойти, если неожиданно найдётся микроорганизм, или новый штамм, или новое техническое решение, благодаря которому удастся поднять амперные составляющие этого процесса. Мы над этим работаем, - резюмирует Вячеслав Ильин.

Поперечно-ободочная кишка человека может служить средой для работы микробных топливных элементов.

В аппарате «Фотон-М» размещают научную аппаратуру и биообъекты (пять гекконов, мух-дрозофил, семена растений и множество микроорганизмов), которым предстоит отправиться в двухмесячный космический полёт. Космический аппарат «Фотон-М4» предназначен для проведения в условиях микрогравитации экспериментов, обеспечивающих получение новых знаний по физике невесомости, отработку технологических процессов производства полупроводниковых материалов, биомедицинских препаратов с улучшенными характеристиками, а также проведение биологических и биотехнологических исследований.

Фотографии предоставлены Институтом медико-биологических проблем

Новое исследование раскрывает удивительный факт о многочисленных типах бактерий кишечника, которые могут вырабатывать электричество. Электрогенные бактерии — это бактерии, которые способны вырабатывать определенное количество электричества. Исследователи во главе с профессором Дэном Портным (Dan Portnoy) опубликовали свое открытие в журнале Nature .

Бактерии и электричество

До сих пор электрогенные бактерии были обнаружены в довольно специфических природных средах, таких как осадки различных водоемов. Эти среды обычно анаэробные — не содержат свободного кислорода. Впервые исследователи из Калифорнийского университета (University of California) в Беркли обнаружили, что сотни различных бактерий в кишечнике человека также являются электрогенными. К ним относятся многие виды бактерий, от патогенных, которые способны вызывать заболевания, до пробиотических, которые способствуют здоровью кишечника. Однако эти кишечные бактерии производят электричество, используя другой механизм.

Патогены, вырабатывающие электричество

Ученые идентифицировали электрогенерирующие бактерии, ими являются Listeria monocytogenes (общий виновник диареи), Clostridium perfringens (вызывает гангрену) и Enterococcus faecalis (патоген, приобретаемый во время пребывания в больнице). Однако, многие другие вырабатывающие электричество бактерии в кишечнике являются не патогенами. Некоторые из них являются пробиотиками.

«Тот факт, что так много бактерий, которые взаимодействуют с людьми, либо в качестве патогенов, либо являющиеся пробиотиками, либо участвующие в ферментации, являются электрогенными - было упущено раньше», — говорит автор исследования. «Это может многое рассказать нам о том, как эти бактерии заражают нас или помогают нам иметь здоровый кишечник».

Что нам даст это открытие?

Ученые ожидают, что их неожиданная находка также может быть полезна в будущих проектах, направленных на создание микробных топливных элементов, инновационной стратегии для производства возобновляемой энергии.

Исследователи объясняют, что бактерии вырабатывают электричество как часть их метаболизма — процесс, который они сравнивают с дыханием. Однако, в то время как организмы, такие как растения и животные, которые живут в богатых кислородом средах, используют кислород, чтобы помочь им в метаболизме, бактерии, которые проживают в анаэробных средах, должны использовать другие химические элементы. Так, бактерии, которые обитают на дне озер, обычно используют минералы, такие как железо или марганец, во время своего сложного метаболического процесса, тем самым вырабатывая электричество. Однако у электрогенных бактерий, обитающих в кишечнике, электрогенерирующий процесс проще, и они используют органическое соединение, известное как флавин , который является производным витамина B2.

«Похоже, что клеточная структура этих бактерий и богатая витаминами экологическая ниша, которую они занимают, значительно облегчает и делает более рентабельным перенос электронов из клетки», — объясняет автор первого исследования Сэм Лайт (Sam Light).

Сколько вырабатывают энергии кишечные бактерии?

Исследователи провели дополнительные тесты, чтобы узнать, сколько электричества способны вырабатывать эти кишечные бактерии. Они обнаружили, что кишечные бактерии вырабатывают почти столько же электричества, сколько и другие электрогенные бактерии: до 100 000 электронов в секунду на клетку.

В частности, ученые с удивлением обнаружили, что лактобацилла, которая играет роль в ферментации и используется для приготовления сыра, йогурта и квашеной капусты, также обладает электрогенными свойствами.

Теперь ученые задаются вопросом, имеют ли эти свойства вообще отношение ко вкусу, который лактобацилла создает в пищевых продуктах, полученных путем ферментации.

«Это целая большая часть физиологии бактерий, о существовании которых люди не подозревали и которыми можно манипулировать», — заключает Лайт.

Микроорганизм, получивший название геобактерия, хорошо известен ученым и давно используется в различных экспериментах. Эта бактерия обладает способностью вырабатывать электричество из своей привычной среды обитания – грязной воды. Но теперь сможет "работать" и как прямой источник электроэнергии – биологи из Массачусетского университета вывели новое поколение геобактерий, которые создают очень крупный электрический заряд.

«Новое исследование показывает, что отдача электричества от геобактерий может быть увеличена, и перед нами открываются новые возможности по созданию органических топливных элементов, - рассказывает Дерек Лоули, возглавивший научную группу по изучению энерговырабатывающих микроорганизмов. – Фактически мы открыли способ добычи электричества из грязи».

Действительно, геобактерия обитает в загрязненной среде, нередко даже в сточных водах промышленных предприятий. Ученые обнаружили, что размер вырабатываемого микроорганизмом заряда непосредственно зависит от состава окружающей среды.

Читайте также " "

«Только на первом этапе исследований мы смогли увеличить производимой геобактерией заряд в восемь раз», - продожает Дерек Лоули. В прошлом году ученые довели выработку тока до определенного уровня, преодолеть который так и не смогли – никакие генетические манипуляции с микроорганизмами не давали положительных сдвигов. Лишь изменив подход и обратив внимание на сферу обитания бактерий, биологи смогли выйти на новые отметки напряжения.

Сейчас ученые готовы перейти к последней стадии своих исследований – разработке автономной биологической батареи, которая будет производить электрический ток из грязной воды и возобновляемой биомассы. Такой вид устройств планируется использовать в мобильных телефонах, имплантируемых медицинских приборах и средствах передвижения.

Геобактерия – крошечный организм, толщина которого соизмерима с молекулами и составляет всего 3-5 нанометров. Это примерно в 20 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Длина геобактерии примерно в тысячу раз больше толщины. Несмотря на столь незначительные габариты, эти микроорганизмы очень прочные, за что и получили прозвище «нанопружины».

Смотрите фоторепортажи в разделе " "

В природе геобактерии образуют колонии, крепящиеся к поверхности клейкой пленкой. Их можно найти на подводных камнях или на эмали зубов – везде, где есть источник подходящей для них пищи. Геобактерии – анаэробные создания, поэтому для их жизненных реакций кислород не требуется.

Эксперименты с необычными свойствами геобактерий начались еще в 1987 году. Они привлекли биологов своим необычным способом дыхания – вместо привычного нам кислорода, их дыхательная активность построена на железе и других металлах. Это и стало первоначальной целью исследования, пока в 2002 году не были случайно обнаружены и энерговырабатывающие таланты микроорганизма.

Но прошло еще несколько лет, прежде чем ученые приступили к изучению геобактерии как потенциального анода для будущих биобатарей. Первые исследования в этом направлении были начаты именно Дереком Лоули, и новое открытие стало подтверждением его лидерства в области органической энергетики.

Группа инженеров под руководством Брюса Логана (Bruce Logan) из университета штата Пенсильвания в городе Юниверсити Парк (США) изобрела новый способ получения электричества, сообщает РИА Новости со ссылкой на статью в Science.

Они экспериментировали с бактериями, разрушающими органику с выделением электронов. Бактериальные топливные ячейки ученые сконструировали на основе обратного электродиализа.

Как объясняют ученые, биотопливная батарея вырабатывают электричество при помощи специальных штаммов бактерий, выделяющих электроны в окружающую среду. В таких ячейках бактерии поглощают питательные вещества и выделяют часть энергии в виде протонов и электронов, создающих электрический ток.

Электрогенераторы на основе обратного электродиализа позволяют извлекать энергию из разницы в солености в двух смешивающихся потоках жидкости. Для этого емкость устройства делится на узкие ячейки при помощи специальных мембран, пропускающих положительно заряженные ионы натрия или отрицательно заряженные ионы хлора.

Бактериальные ячейки.
При работе батареи через одни ячейки пропускается раствор соли, а через другие - дистиллированная вода. Частично проницаемые мембраны пропускают только положительные или отрицательные ионы, в результате чего в сосуде возникает разница в потенциалах, которая создает электрический ток.

Логан и его коллеги обнаружили, что подключение биотопливного элемента к установке обратного электродиализа заметно улучшило ее эффективность и позволило уменьшить число мембран внутри нее. Новый электрогенератор может быть использован для очистки городских и промышленных сточных вод.

"Бактерии в ячейке быстро расправились с органическими частицами в сточных водах. Эта часть отходов хуже всего извлекается из воды традиционными методами, и ее эффективное удаление требует применения сложных фильтров. Более крупные частицы, с которыми микробы справляются плохо, можно удалить классическими методами", - говорит Логан.

Возврат потерянного тепла.
Как объясняют инженеры, в их электрогенераторе-очистителе сточные воды занимают место относительно чистой воды. В качестве соли используется карбонат аммония - соединение аммиака и углекислоты. Эта соль идеально походит для переработки жидких отходов - у нее низкая себестоимость, и она легко испаряется из раствора при нагреве до 43 градусов Цельсия. Для этого можно использовать тепло отработавших газов и другие виды потерянной энергии на промышленных предприятиях.

"Потерянное тепло "съедает" от 7 до 17 процентов энергоресурсов, которые расходуются промышленностью. Практически везде существует источник такого тепла, которое теряется безвозвратно. Наша технология позволит его использовать ", - заключает Логан.