Tế bào năng lượng vi sinh vật pdf

Tế bào năng lượng
vi sinh vật




Tại Mỹ mỗi năm trung
bình 33 tỷ gallon nước
thải sinh hoạt phải xử
lý sơ bộ trước khi đổ
ra sông. Nếu chỉ tính
riêng tiền điện thì mỗi
năm Mỹ phải chi 25 tỷ USD cho
quá trình vận hành hệ thống xử
lý. Đó là chưa kể đến một lượng
lớn hóa chất tiêu tốn và mới chỉ

Geobacter
sp

tính riêng Mỹ Cả thế giới vừa
phải đối phó với nguy cơ thiếu
nước sạch, vừa phải giải quyết
tình trạng lượng chất thải ngày
một nhiều do sức ép dân số.

Câu trả lời của những vấn đề hóc
búa trên là một công nghệ đã từng

ra đời vào năm 1962, 1963 (Sisler,
Konikoff, Reynold, Harris) nhưng
bị "ngủ quên" cho đến những năm
gần đây, khi nhu cầu năng lượng
trở nên bức thiết hơn bao giờ hết.

Ứng dụng tế bào năng lượng vi
sinh vật xử lý chất thải - Một
công đôi chuyện

"Quá trình phân rã các hợp chất
hữu cơ trong tế bào vi sinh v
ật luôn
đi kèm với sự phóng thích năng
lượng điện tử". M.C.Porter (1911)

Từ năm 1911 Porter đã khẳng định
dòng electron luôn tồn tại với quá
trình chuyển hóa trong cơ thể sinh
vật sống, là n
ền tảng để 50 năm sau
Sisler là người đầu tiên phát hi
ện ra
có sự xuất hiện dòng điện khi cho
vi sinh vật phát triển trên anode
graphite. Lúc đó, do dòng điện thu
được là quá nhỏ đồng thời các nhà
tiên phong sử dụng d
òng vào (input
fuel) là môi trường nuôi cấy, khiến

cho dòng điện này trở nên đắt và
khó ứng dụng. Đó chính là lý do
mà phát hiện lý thú này sớm chìm
vào quên lãng và các cơ chế phóng
thích electron của vi sinh vật vào
anode cũng chưa thể giải thích dù
con người đã thuộc nằm lòng các
chuỗi chuyển hóa trong tế bào
Chỉ trong những năm gần đây, khi
tình hình nhiên liệu hóa thạch bắt
đầu "nóng", người ta lại nhận thấy
sự bất tận của nguồn điện vi sinh
vật và tính thực tiễn của nó, nhiều
nhà khoa học bắt đầu tập trung
nghiên cứu, chiếm lĩnh nguồn năng
lượng đã từng "ngủ quên" này.


Một số nguyên tắc chính:

Nguyên tắc chính của tế bào năng
lượng vi sinh vật (microbial fuel
cells) là dòng electron đư
ợc chuyển
gián tiếp thông qua sự tương tác
giữa sản phẩm khử với điện cực
dương. Sự tách biệt về mặt không
gian của phản ứng nhận electron
cuối tạo ra chênh lệch về suất điện
động và xuất hiện dòng electron

chạy qua khi ta dùng dây dẫn nối 2
điện cực lại.


Có 3 loại tế bào năng lượng vi
sinh vật chính:

+ Loại A: Các chất dẫn electron
trung gian có sẵn trong môi trường.

+ Loại B: Các lo
ại vi sinh vật có hệ
protein màng đặc biệt, có khả năng
chuyển electron trực tiếp lên điện
cực.
+ Loại C: Điện cực bị vi sinh vật
oxy hóa để tạo ra nguồn electron.




Một số hệ thống tiêu biểu:

+ Hệ thống của Peter Benetto
(London) sử dụng hệ enzyme biến
đổi cơ chất ngoại bào ở nấm men:
khó có khả năng ứng dụng quy mô
lớn vì cơ chất bắt buộc là
Methylene blue.

+ Năm 2004, trường đại học
Pennsynvania chế tạo thành công
hệ thống thu năng lượng từ vi
khuẩn với cấu trúc theo kiểu
bioreactor với 1 khoang duy
nhất,dòng nhiên liệu vào đư
ợc nhập
liên tục. Theo cải tiến này, nếu sử
dụng dòng vào là nước thải thì
ngoài điện năng thu được, nồng độ
chất hữu cơ hòa tan giảm đáng kể.
Chỉ tiêu DO của nước luôn ổn định
do không khí được khuếch tán liên
tục, cung c
ấp Oxy cho phản ứng tại
Catot.

proton + oxy > nước.



Bruce Logan, cha đẻ của mẫu thiết
kế trên cho biết khó khăn hiện tại
trong việc ứng dụng tế bào năng
lượng vi sinh vật là nguồn năng
lượng tạo ra còn quá nh
ỏ, đồng thời
không thể dùng Platinium làm điện
cực cho các hệ thống lớn. Tuy
nhiên theo nhận định của ông, tế

bào năng lượng vi sinh vật vẫn là
xu thế của tương lai với giá thành
rẻ tương đương với liệu pháp thực
vật trong xử lý nước thải.

+ Hệ thống sử dụng khả năng
truyền electron trực tiếp vào điện
cực của vi khuẩn nhóm
Geobacteraceae của NASA với
hiệu điện thế thực là 0.5 Volt, nhờ
hệ thống khuyếch đại đi k
èm, nhóm
nghiên cứu của tiến sĩ Bruce
Brittmann tăng hiệu điện thế này
lên được 2 Volt. Hiện NASA đã
ứng dụng hệ thống này để giải
quy
ết vấn đề chất thải sinh hoạt của
các phi hành đoàn .


Khám phá về quá trình chuyển
điện tử lên điện cực:

Để giải thích về khả năng phóng
điện cũng như hi
ệu suất phóng điện
khác nhau giữa các loài vi sinh vật,
người ta đã đưa ra nhiều giả thuyết
khác nhau như diện tích tiếp xúc

quá nhỏ giữa ETP (electron
transport protein) và điện cực, hay
nhiều loài vi khuẩn (như E. coli,
Pseudomonas, Proteus, Bacillus )
không có kh
ả năng chuyển electron
trong các phản ứng nội bào ra bên
ngoài

Ở những nghiên cứu đầu tiên về tế
bào năng lượng vi sinh vật, người
ta giả thuyết quá trình phóng điện
xảy ra nhờ electron transport
protein trên màng.

Phát hiện gần đây nhất trên tế bào
năng lượng là cơ chế chuyển điện
tử từ chất cho điện tử cuối đến chất
nhận điện tử cuối - một phức hệ
đưa electron ra ngoài tế bào thay vì
như chúng ta từng biết, toàn bộ các
phản ứng diễn ra bên trong tế bào,
trên màng hay không gian chu
chất.



Nghiên cứu cho thấy quá trình khử
sắt của vi khuẩn Geobacter
sulfurreducens diễn ra trên pili của

vi khuẩn với các nguyên tử Fe(III)
bám trên đầu pili. Bản thân tế bào
và đầu pili đã giống một cặp điện
cực, chính vì vậy mà người ta nhận
thấy quá trình chuyển điện tử
ởGeobacteraceae hiệu quả hơn
nhiều so với các loại vi khuẩn
khác.

Ngoài Geobacter, một số loại vi
khu
ẩn có tiềm năng khác trong lĩnh
vực này là Rhodoferax
ferrireducens, Shewanella
putrefaciens, Aeromonas
hydrophila, Desulfomonas sp
trong đó vi khuẩn Geobacter
sulfurreducens và Shewanella
putrefaciens
nổi lên đặc biệt bởi
khả năng sử dụng nguồn cơ chất đa
dạng, thích hợp nhất trong việc sản
xuất điện từ chất thải.

Kết quả của nghiên cứu đăng trên
Nature rev 2006 là một phát hiện
quan trọng về cơ chế chuyển
electron, nó hi
ện thực hóa khả năng
cải tiến để ứng dụng tế bào năng

lượng vi sinh vật vào thực tế. Tuy
vậy một vấn đề khác cũng được
đánh giá cao ở đây chính là môi
trường nghiên cứu, công cụ mô
hình cho nghiên cứu dòng đi
ện ở vi
khuẩn.