Электричество из биопленок

Микробные клетки, образующие пленки

Жизнь – это поток положительно и отрицательно заряженных ионов, а также электронов, переносимых из одного места в другое и создающих таким образом токи. В оболочке нейрона, например, ионные токи создают заряд, распространяющийся по отросткам нервных клеток на расстояния, измеряемые метром и более (от спинного мозга по седалищному нерву к пальцам ноги). Но это, конечно же, крайний случай и чаще всего перемещение зарядов едва выходит за пределы генерирующих их протеиновых молекул.

Век назад немец Фриц Габер воспроизвел в лаборатории процесс фиксации азота воздуха, на выходе которого получил аммиак NH4. Соотечественник Габера – Карл Бош начал синтезировать аммиак в промышленных масштабах, используя давление в 250 атмосфер и нагревая азотно-водородную смесь до 500 градусов.

В то же время ничтожные по своим размерам микробы фиксируют азот в естественных условиях, используя фермент нитрогеназу, расщепляющий молекулу азота для соединения его атома с расщепленным водородом (для этого используется гидрогеназа). Сегодня оба фермента имеются в распоряжении ученых, которые решили использовать их не только для получения аммиака, но также для производства электричества.

Новая топливная ячейка для осуществления биоэлектрохимического процесса описана в статье сотрудников университета штата Юта в Солт-Лейк-Сити (США). Нитрогеназа – единственный фермент, который способен восстанавливать молекулярный азот, снабжая его электронами. Но электроны можно «подавать» на фермент гидрогеназу, используя электрод. В результате синтез аммиака сопровождается прохождением по цепи электрического тока. В опытах прохождение 60 микрокулон электричества между электродами с ферментами на них привели к синтезу 286 наномолей аммиака, что соответствовало эффективности 26,4%.

Электрическая сеть с использованием бактериальной биопленки. Фото Physorg

Опыт был воспроизведен в университете штата Иллинойс в г. Урбана-Шампань. Сотрудники университета использовали гидрогеназу. Теперь необходимо думать инженерам, чтобы модифицировать процесс для промышленного производства аммиака и чистого электричества.

Важно подчеркнуть, что «рабочими лошадками», или ко-ферментами этих геназ являются комплексы железа с серой. Атомы обоих элементов охотно обмениваются электронами. В быту, например, это проявляется как процесс протухания яиц, в которых накапливается сероводород H2S. Водород отдает свой электрон сере. Кстати, процесс давно «освоен» и в глубинах Вселенной. Астрономы открыли туманность Калабаш (Calabash), видимую в южном полушарии, называемую еще «Тухлым яйцом» (Rotten Egg) за высокое содержание серы в ней.

Электробиохимики Рочестерского университета предложили использовать для производства электричества микробную пленку, образуемую микроорганизмами на поверхностях в горячих озерах Орегона. Толщина этой пленки в естественных условиях иногда достигает 20 мм! Пленку в водном растворе помещали на электропроводящий полимер, который фиксировали на бумаге с помощью карбоновой, или графитовой, пасты с добавлением в нее жидкого компонента. В качестве рабочего агента были использованы клетки Shewanella, охотно потребляющей из сточных вод ионы тяжелых металлов, выдавая при этом на аноде электроны.

Переход электронов к платиновому катоду позволял питать лампочку, что свидетельствовало о генерации тока. Плотность генерированного тока составила 2 ампера на квадратный метр. В этом отношении бумажный электрод оказался в 2,5 раза эффективнее, нежели ранее использованный фетровый-войлочный. Свою статью ученые назвали «Внеклеточный перенос электронов на клейких бумажных электродах: бумажный анод с карбоновой пастой для микробных ячеек».