تولید برق در یک باکتری زنده عجیب

دنیای اطراف ما هنوز پر از چیز‌هایی است که ما هنوز از وجود آن‌ها بی خبر هستیم و هر بار که خبر کشف جدیدی منتشر می‌شود بیشتر از کمبود دانسته‌های خود از دنیای اطراف متحیر می‌شویم. اکنون دانشمندان می‌گویند میکروب‌هایی را کشف کرده اند که گاز متان را تنفس می‌کنند و آن را در یک باتری زنده عجیب به برق تبدیل می‌کنند.

این کشف جدید تا میزان قابل توجهی ما را به درک موضوع انتشار گاز‌های گلخانه‌ای هدایت می‌کند، زیرا در میان این گازها، متان از همه مخربتر است و می‌تواند پنهانی ما را به عمق بحران آب و هوا بکشاند. در جو سیاره ما، متان حداقل ۲۵ برابر بیشتر از دی اکسید کربن در به دام انداختن گرما موثر است. همچنین این نوع گاز چندان کارآمد نیست و در مقایسه فقط ۵۰ درصد گاز طبیعی می‌توان با سوزاندن، از آن برق تولید کرد.

اکنون در تلاش برای کم کردن اثرات این گاز، محققان هلندی شکل نسبتاً نامتعارفی از نیروگاه را کشف کرده‌اند که برای دیدن آن به میکروسکوپ نیاز دارید. کورنلیا ولته، میکروبیولوژیست دانشگاه رادبود، می‌گوید: «این کشف می‌تواند برای بخش انرژی بسیار مفید باشد. در تاسیسات بیوگاز فعلی، متان توسط میکروارگانیسم‌ها تولید می‌شود و متعاقباً سوزانده می‌شود، که توربین را به حرکت در می‌آورد و در نتیجه نیرو تولید می‌کند. کمتر از نیمی از بیوگاز به نیرو تبدیل می‌شود و این حداکثر ظرفیت قابل دستیابی است. ما می‌خواهیم ارزیابی کنیم که آیا می‌توان با استفاده از میکروارگانیسم ها، بهره وری بیشتری از این گاز بدست آورد.»

تمرکز تحقیقات این دانشمندان بر  نوعی باکتری باستانی  است که به دلیل استعداد‌های خارق العاده خود برای زنده ماندن در شرایط عجیب و غریب و سخت، از جمله توانایی تجزیه متان در محیط‌های فاقد اکسیژن، شناخته شده است. این نوع خاص که به عنوان باستان‌شناسی متانوتروف بی‌هوازی (ANME) شناخته می‌شود، این ترفند متابولیک را با تخلیه الکترون‌ها در زنجیره‌ای از واکنش‌های الکتروشیمیایی، استفاده از نوعی فلز یا متالوئید در خارج از سلول‌ها یا حتی اهدای آن‌ها به گونه‌های دیگر در محیط خود مدیریت می‌کند.

این نوع باکتری البته برای اولین بار در سال ۲۰۰۶ توصیف شد. جنس ANME Methanoperedens برای اکسیداسیون متان از مقدار کمی از نیترات‌ها استفاده می‌کند که آن را درست در محل زندگی خود یعنی باتلاق‌های مرطوب آبریز‌های کشاورزی هلندی که آغشته به کود است، می‌سازد. تلاش‌ها برای بیرون کشیدن الکترون‌ها از این فرآیند در سلول‌های سوختی میکروبی منجر به تولید ولتاژ‌های کوچکی شده است، هرچند هیچ تایید واضحی در مورد اینکه دقیقاً کدام فرآیند ممکن است در پشت آن باشد، وجود نداشت.

اگر قرار باشد این موجودات کوچک باستانی به‌عنوان سلول‌های نیروگاهی گاز متان، ما را به آینده امیدوار کنند، واقعاً باید جریانی را به شکلی واضح و بدون ابهام ایجاد کنند. اما ماجرا وقتی سخت‌تر می‌شود که بدانیم Methanoperedens میکروبی نیست که بتوان آن را به سادگی برای کشت آماده سازی کرد؛ بنابراین ولته و همکارانش نمونه‌ای از میکروب‌ها را جمع‌آوری کردند که می‌دانستند تحت سلطه این باستانی‌های متان‌ریز هستند، و آن‌ها را در محیطی فاقد اکسیژن که متان تنها دهنده الکترون بود، پرورش دادند. در نزدیکی این مستعمره، آن‌ها همچنین یک آند فلزی را با ولتاژ صفر قرار دادند و به طور موثر یک سلول الکتروشیمیایی را ایجاد کردند که برای تولید جریان آماده شده بود.

هلین اوبوتر، میکروبیولوژیست دانشگاه رادبود، می‌گوید: «ما نوعی باتری با دو پایانه ایجاد می‌کنیم که یکی از آن‌ها یک پایانه بیولوژیکی و دیگری یک پایانه شیمیایی است. ما باکتری‌ها را روی یکی از الکترود‌ها رشد می‌دهیم که باکتری‌ها الکترون‌های حاصل از تبدیل متان را به آن اهدا می‌کنند.» پس از تجزیه و تحلیل تبدیل متان به دی اکسید کربن و اندازه گیری جریان‌های نوسانی که تا ۲۷۴ میلی آمپر بر سانتی متر مربع افزایش می‌یابد، تیم به این نتیجه رسید که کمی بیش از یک سوم جریان را می‌توان مستقیماً به تجزیه متان نسبت داد. به عبارت دیگر، تا آنجا که راندمان نشان می‌دهد، ۳۱ درصد از انرژی موجود در متان به نیروی الکتریکی تبدیل شده بود که آن را تا حدودی با برخی از نیروگاه‌های واقعی برق مشابه، قابل مقایسه می‌کند.

با تلاش بیشتر در ارتقای این روش، این فرآیند می‌تواند منجر به ایجاد باتری‌های زنده بسیار کارآمدتری نیز شود که با بیوگاز کار می‌کنند. در این صورت این فرآیند می‌تواند جرقه‌های بیشتری را از هر ذره گاز بکوبد و نیاز به لوله‌کشی متان را در فواصل طولانی کاهش دهد. این موضوع دوم بسیار مهم است، زیرا برخی از نیروگاه‌های متان به سختی بازدهی حدود ۳۰ درصد را مدیریت می‌کنند. اگر خوش بینانه‌تر نیز به موضوع نگاه کنیم، ما باید راه‌هایی پیدا کنیم تا خود را از اعتیاد به تمام سوخت‌های فسیلی رها کنیم. به غیر از کاربرد‌های فناوری، همچنین یادگیری بیشتر در مورد روش‌های مختلف تجزیه این گاز گلخانه‌ای موذی در محیط، می‌تواند به طور کلی برای محیط زیست ما نیز مفید باشد. نتایج این تحقیق در نشریه معتبر  Frontiers in   Microbiology  منتشر شده است.