Бактерии вырабатывающие электричество. Био-электричество. Бактерии как альтернативный источник энергии. Сколько вырабатывают энергии кишечные бактерии

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.

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.

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.