Tế bào năng lượng vi sinh vật pptx

Tế bào năng lượng vi sinh vật
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 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.


Geobacter sp
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 vật 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 nền tảng để 50 năm sau Sisler là
người đầu tiên phát hiện 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 dòng 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 được 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 loại 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 được 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 cấp 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
nhỏ, 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 kèm, 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
quyết 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 hiệu
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 khả 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 ở Geobacteraceae hiệu quả hơn nhiều
so với các loại vi khuẩn khác.

Ngoài Geobacter, một số loại vi khuẩn 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 hiện 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 điện ở vi khuẩn.
Tài liệu tham khảo:
[1] Derek R. Lovrey. Bug juice: harvesting electricity
with microorganisms. Nature Rev. 4, 497-508 (July

2006)
[2] Article: NASA-supported researchers are working
to develop a fuel cell that can extract electricity from
human waste.
[3] Fuel-cell Microbes' Double Duty: Treat Water,
Make Energy. Science daily.(2004)
[4] Bacteria Convert Food Processing Waste To
Hydrogen. Science daily. (2003)
[5] Mario Jardon. Microbial fuel cells from
Rhodoferax ferrireducens (2003)
Nguyễn Hữu Hoàng
Theo Sinh học Việt Nam