باکتری‌های الکتریکی

راکتورهای زیستی به کار رفته در آزمایشگاه Bond

راکتورهای زیستی به کار رفته در آزمایشگاه Bond

 

محققان ارگانیسم‌های جدیدی را یافته اند که متابولیسم طبیعی را کنار گذاشته و الکترون خالص را می‌خورد و دفع می‌کنند. آیا این باکتری‌ها می‌توانند پاسخی برای آینده آلودگی‌ها، تصفیه آب یا حتی کامپیوتر‌های زیستی باشند؟

اگر تنها یک الکترود را در زمین قرار دهیم اتفاق خاصی نخواهد افتاد. این نظریه درست است در صورتی که مکان مناسب را انتخاب نکرده باشید. اگر یک الکترود را درون رسوبات رسی رودخانه Potomac قرار دهید شاهد برقراری جریان می‌شوید.

مسبب اصلی در این فرآیند، گروهی از باکتری‌های تولید کننده انرژی هستند که می‌توانند الکترون‌ها را از درون غشاء خود به بیرون منتقل کنند. با تخلیه الکترون‌ها از غذا‌های آلی مانند استات یا اسید لاکتیک و انتقال آنها به ترکیبات متابولیک در پشت دیواره سلولی این باکتری‌ها می‌توانند همانند انسان‌ها و E.coli که اکسیژن را تنفس می‌کنند به صورت موثری به تنفس فلزات بپردازند.

مشخص شده که ارگانیسم‌های مشابهی می‌توانند بدین طریق تنفس کنند و مهندسان و میکروب شناسان در حال بررسی برای استخراج و به کارگیری آنها بوده تا الکترود‌های میکروبی به وجود آورند که می‌توانند قدرت بخش ابزارهای مختلف از حسگرهای شیمیایی و سیستم‌های زیستی گرفته تا تصفیه فاضلاب و نمک ضدایی آب‌ها باشند.

میکروب شناسی الکتریکی

محققانی که در زمینه میکروب شناسی الکتریکی (electromicrobiology) مطالعه می‌کنند بر روی دو جنس متمرکز خواهند شد، Geobacter و Shewanella. دکتر Derek Lovley از دانشگاه Massachusett باکتری Geobacter را از رسوبات رودخانه Potomac در ۱۹۸۸ هنگامی‌ که در جستجوی میکروارگانیسم‌های مصرف کننده آهن بود استخراج کرد. او فهمید که Geobacter دارای توانایی بازیافت زیستی آلاینده‌های ارگانیک و فلزات سنگین است. این میکروارگانیسم همچنین قادر است اکسید‌های آهن را از محیط بزداید.

سالها بعد Lovley به وسیله افسر ارشد مرکز تحقیقات دریانوردی آمریکا به کار گرفته شد تا دریابد چگونه قرار دادن الکترود‌ها در رسوبات دریایی تولید انرژی می‌کند ( نیروی دریایی به دنبال به کارگیری این فرآیند در ابزار‌های زیر دریا بود). با فرض اینکه Geobacter یا ارگانیسم‌های وابسته می‌توانند این فرآیند را تشریح کنند، Lovley این پروژه را به یکی از دانشجویان خود Daniel Bond داد که بعد‌ها به عنوان استاد دانشگاه Minnesota درآمد.

دکتر Bond که از کودکی ذهن خود را مشغول جریان‌های الکتریکی کرده بود، کشف کرد در نبود اکسیژن، الکترودی که در رسوبات دریایی قرار بگیرد پوششی از باکتری‌ها که اغلب اعضای خانواده Geobacteraceae بودند را در برخواهد گرفت. در واقع این باکتری‌ها می‌توانستند الکترون‌ها را از استات یا بنزوات استخراج کرده، مستقیما به الکترود منتقل کنند (بدون نیاز به واسطه شیمیایی) و جریان قابل اندازه گیری را ایجاد کنند. اما با از بین رفتن محیط کشت، جریان نیز نابود می‌شد.   

دکتر Kenneth Nealson که اکنون مشغول تدریس در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی است در ۱۹۸۸ درگیر بررسی بر روی Shewanella oneidensis MR-1 (که بعدها به عنوان Alteromonas putrefaciens شناخته شد) بود تا مشخص کند چرا مقدار زیادی احیای منگنز در آب‌های دریاچه ای در نیویورک اتفاق می‌افتد. S. oneidensis MR-1 تنها یکی از ۲۰ میکروبی بود که می‌توانست منگنز جامد را به املاح محلول تبدیل کنند و توسط او یافته شده بود. او به دلیل راحتی کار با این ارگانیسم بر روی آن تمرکز کرد زیرا این ارگانیسم می‌توانست در حضور اکسیژن رشد کند.

مدت کوتاهی پس از آن، یک همکار کره ای به نام Hong Kim پیشنهاد کرد اگر S. oneidensis MR-1 شاید بتواند الکترون‌ها را به خارج از دیواره سلولی خود منتقل کند تا در یک باتری میکروبی نیز عملکرد داشته باشد و تولید الکتریسیته بکند. دکتر Nealson از خود پرسید:

"باکتری‌ها چطور می‌توانند چنین کاری بکنند؟ چطور می‌توانند الکترون‌ها را از میان غشایی که به طور اختصاصی اجازه عبور الکترون‌ها را نمی‌دهد، منتقل کنند؟"

این سوالات او و همکارانش را نزدیک به یک چهارم قرن درگیر کرد تا بتوانند پاسخ آنها را بیابند.

یک ترکیب کوچک زیبا

بیشتر میکروب‌ها و یوکاریوت‌های مطالعه شده از زنجیره‌های انتقال الکترون متصل به غشاء برای تبدیل قند به انرژی شیمیایی قابل استفاده بهره می‌برند. الکترون‌هایی که از غذا به دست آمده اند در طول غشاء به وسیله مولکول‌های ناقل شیمیایی جابجا می‌شوند. در این هنگام پروتون‌ها از میان غشاء به خارج پمپ شده و یک شیب بار به وجود می‌آورند که منجر به تولید ATP می‌شود. دکتر Lovley توضیح می‌دهد:

" میکروب‌های الکتریکی نیز مبنای فرآیند یکسانی دارند به غیر از مرحله پایانی، جایی که در یک میکروب معمولی یا یوکاریوت الکترون‌ها به اکسیژن درون سلولی منتقل می‌شوند در حالی که در این میکروب‌ها الکترون‌ها مسیری به خارج از سلول پیدا می‌کنند."

مشخص شده که در S. oneidensis MR-1 این مسیر شامل یک ترکیب پروتئین غنی از آهن است که مانند سیمی ‌به خارج از غشاء کشیده شده است. دکتر Bond می‌افزاید:

" این ترکیب مانند یک تونل عمل می‌کند و زنجیره دنباله داری از ۱۵ یا ۲۰ آهن در خود جای می‌دهد. این یک ترکیب کوچک بسیار زیباست."

Geobacter نیز دارای ساختار مشابهی است اگرچه این باکتری به صورت مجزایی تکامل یافته است. این باکتری می‌تواند الکترون‌ها را از طریق یک ساختار رشته ای القایی به نام مژک به خارج منتقل کند. مژک‌ها مانند پلیمرهای القایی ارگانیک عمل می‌کنند. در مطالعه ای که به تازگی انجام شد، گروه Lovley از میکروسکوپ "نیروی الکترواستاتیک" ( نوعی از میکروسکوپ نیروی اتمی) استفاده کردند تا جریان را به مژک منتقل کرده و انتقال آن را مشاهده کنند. این یافته‌ها مشخص کرد که مژک مانند فرآیندهای  معمول زیستی  که در آن الکترون‌ها از یک ناقل به ناقل دیگر می‌جهند عمل نمی‌کند بلکه مانند یک سیم معمولی یا ریزلوله‌های کربنی عمل می‌کند. دکتر Lovley می‌گوید:

" چنین چیزی را انتظار نداشتم. این پروتئین واقعاً به صورت یک سیم عمل می‌کند."

دیگر میکروارگانیسم‌های اینچنینی مانند Shewanella از ترکیبات حلقوی آلی مانند مونونوکلئوتید‌های فلاوین به عنوان ناقلین الکترون یا سیتوکروم‌های متصل به سطح استفاده می‌کنند تا الکترون‌ها را منتقل کنند.

میکروب‌های الکتریکی

Geobacter و Shewanella تنها جز کوچکی از میکروب‌های الکتریکی هستند. به نظر می‌رسد تمام چیزی که لازم است، قرار دادن یک الکترود درون زمین و صبر کردن به مدت چند هفته بود، سپس می‌توان بیوفیلم ایجاد شده را جدا کرده و شروع به استخراج سلول‌ها کنیم. دکتر Nealson توضیح می‌دهد:

" این کار مانند قرار دادن یک حبه قند در گوشه ای و منتظر ماندن برای مشاهده کودکانی است که به سمت آن می‌روند."

البته هر میکروارگانیسم خصوصیات خود را دارد. درست همانند انسان‌ها که ممکن است بعضی بلندتر یا سریعتر باشند، بعضی میکروب‌ها یک غذا را به دیگری ترجیح داده و با سرعت‌های متفاوتی رشد می‌کنند یا مقدار الکترون متفاوتی را تولید می‌کنند. دکتر Nealson ادامه می‌دهد:

" بر پایه اینکه باکتری‌ها در کجا قرار داشته اند یا پیش از استخراج مشغول چه کاری بوده اند، گستره ای از فعالیت‌ها وجود خواهد داشت."

بعضی از میکروب‌ها حتی می‌توانند فرآیند الکتریکی را معکوس کنند.  آزمایشگاه Bond یک میکروب به نام Mariprofundus را شناسایی کرده اند که می‌تواند الکترون‌ها را از یک الکترود گرفته و به اکسیژن منتقل کند (درواقع هیچ غذایی لازم ندارند). دکتر Bond می‌گوید:

" آنها تمام جرم زیستی را ایجاد کرده و سوخت و ساز خود را با استفاده از تنها الکترون‌ها و نه چیز دیگری انجام می‌دهند."

حتی همان طور که مشخص شده Shewanella نیز فعالیت‌های متفاوتی داشته بدین معنی که این باکتری می‌تواند در هر دو سمت یک منبع تغذیه رشد کرده و در آند تولید الکترون کرده و در کاتد الکترون‌ها را مصرف کند. دکتر Nealson اظهار داشت:

" در چنین شرایطی Shewanella کاملا دو شخصیتی عمل می‌کند. در سمت آند سوخت و ساز بی هوازی را انجام می‌دهد و در سمت کاتد سوخت و ساز هوازی دارد و تمام این کار را تنها با یک رشته سیم انجام می‌دهد. در نتیجه می‌توان خصوصیت سوخت و سازی این ارگانیسم را به دو بخش کاملا مجزا در دو طرف  منبع تغذیه تقسیم کرد."

محققان همچنین دریافته اند که میکروب‌ها قادر به انتقال الکترون به دیگر گونه‌ها نیز می‌باشند. دکتر Lovley در مقاله ای در اوایل سال جاری گزارش کرد که Geobacter metallireducens می‌تواند انرژی لازم برای تولید متان را به وسیله Methanosaeta harundinaceaby با انتقال الکترون از طریق مژک تامین کند و سوخت و ساز اتانول به وسیله باکتری دوم را به کاهش دی اکسید کربن به وسیله باکتری اول مرتبط سازد.

نیروی لازم برای کاربرد‌های جدید

باکتری‌های فعال کننده الکتریسیته نوید بخش قابلیت انجام کار بدون نیاز به انرژی خارجی هستند. پروفسور Zhiyong Ren از دانشگاه Colorado که بر روی تصفیه آب (فرآیندی بسیار انرژی خواه) فعالیت می‌کند در این زمینه می‌گوید:

" این یافته یک تکنولوژی بنیادی جدید برای مهندسان به ارمغان آورده است. در حال حاضر ما حدود ۱۰۰ میلیارد کیلووات بر ساعت الکتریسیته برای تصفیه فاضلاب خود در هر سال مصرف می‌کنیم. این مقدار در حدود ۳% از کل الکتریسیته مصرف شده در دنیا است. اما با به کار گیری از این روش می‌توانیم این فرآیند را بدون مصرف انرژی اضافه انجام دهیم."

دیگر کاربرد‌های این تکنولوژی میتواند نمک زدایی از آب، احساس از راه دور، بازسازی خاک و حتی محاسبات زیستی (کامپیوتر‌های زیستی) باشد. به عنوان مثال Nealson امیدوار است سیستم‌های تصفیه آب با منبع انرژی میکروبی بتواند در کشور‌های جهان سوم به عنوان منبع قابل جایگزین آب تازه به کار رود.

اما نیازی نیست محققان مانند مهندسان عمل کنند تا بتوانند تولید انرژی به وسیله میکروب‌ها را مشاهده کنند. منبع‌های انرژی میکروبی تبدیل به یکی از ابزار‌های کمک درسی محبوب در آزمایشگاه‌های مدارس شده است و Bond معتقد است این منبع‌ها یکی از جالب ترین ابزاری است که ممکن است به کار رود و هرگز قدیمی‌ نخواهد شد.

برای مشاهده متن کامل مقاله به منبع مراجعه فرمایید

منبع: Nature Nanotechnology

  • نویسنده : سامان میلانی زاده
  • تاریخ انتشار : ۱۶-۰۹-۹۳