חיידקים ונגיפים וגם שאר היצורונים המקיפים אותנו מכל עבר, משפיעים על חיינו מכל מיני כיוונים. בבלוג אספר על אלה המוזכרים מדי פעם בחדשות וגם לחדשות מדעיות הקשורות בהם. כמו כן אשתף אתכם גם בתמונות ודיווחים על יצורים גדולים יותר, שבהם אצפה בטבע. בלוג זה גם יהווה ארכיון לחומרים שכתבתי בעבר ורלוונטיים לנושא.

7.1.09

חיידקים מחשמלים

באחת הרשומות הקודמות ("מתאן - גז חממה, גז קטלני ומקור אנרגיה ירוק") היכרנו את הארכאונים המייצרים מתאן, שאותו ניתן לשרוף כדי להפיק אנרגיה חשמלית. ברשומה אחרת ("דלק מימני מחיידקים") דיווחתי על חיידקים הפולטים מימן מולקולרי (H2), שגם משרפתו ניתן להפיק אנרגיה חשמלית. יש חיידקים שמייצרים אֶתָנול, שגם ממנו ניתן להפיק אנרגיה.

מתברר, שניתן להפיק אנרגיה מחיידקים מסוימים בשיטות ישירות יותר, ויעילות יותר - האנרגיה המופקת מהמטבוליזם החיידקי יכולה להפוך ישירות לזרם חשמלי, שאותו ניתן לנצל במוצרים צורכי חשמל במקומות מרוחקים שאינם מחוברים לרשת החשמל - כגון חיישנים, פנסים וטלפונים אל-חוטיים.

יכולתם של חיידקים להפיק חשמל ידועה כבר כמעט מאה שנה. אך רק בשנים האחרונות, כתוצאה מעליית מחירי הנפט וחיפוש מקורות אנרגיה חלופיים, מהתפתחות ההבנה והידע לגבי מנגנונים פיזיולוגיים שבהם מועברים אלקטרונים כחלק מתהליכי המרת אנרגיה, ומפיתוח הטכנולוגיה של תאי דלק (ראו מסגרת), החלו לחקור כדי לנסות וליישם יכולת זו בצורה מעשית.

תאי הדלק החיידקיים עדיין אינם מיושמים בצורה מסחרית, אך המחקר שלהם והעניין בהם מתרחבים בשנים האחרונות. הכוונה היא להשתמש בהם, בין היתר, כשיטה לטיפול בביוב (כשהחומרים האורגנים בביוב משמשים כמקורות האנרגיה לחיידקים), וכמקורות לחשמל באזורים מרוחקים ומבודדים.

תאי דלק (fuel cells)
עיקרון הפעולה של תא דלק מוכר כבר ממחצית המאה ה-19. תא הדלק הראשון היה מורכב (איור עליון) משני תאים: מאנודה (אלקטרודה שלילית) שדרכה מוזרם מימן מולקולרי (H2), ומקתודה (אלקטרודה חיובית) שדרכה מוזרם חמצן מולקולרי (O2). חיבור מוליך חיצוני מאפשר מעבר אלקטרונים בין האנודה לקתודה דרך הצרכן. בין האנודה לקתודה נמצאת ממברנה (proton exchange membrane - PEM) שמאפשרת מעבר ליונים חיוביים בלבד ושאינה מאפשרת מעבר אלקטרונים. המימן המולקולרי המוזרם מגיב עם הזרז שבאנודה מתפרק ליוני מימן (H+) ולאלקטרונים. החמצן המולקולרי מגיב עם הזרז שבקתודה, עם האלקטרונים שמגיעים דרך המוליך ועם הפרוטונים שמגיעים דרך התווך של התא וכתוצאה מכך נוצרים אדי מים.



תא דלק חיידקי - Microbial fuel cell
ברוב תאי הדלק החיידקיים האנודה, שאטומה לאוויר, מכילה חיידקים (בנוסף לחומרים אורגניים), ואילו בקתודה אין חיידקים. בתכנון גם תאי דלק חיידקיים שבהם בשני התאים יהיו חיידקים (למשל, שבתא האנודה יהיו חיידקים פוטוסינתטיים, שיפלטו חמצן).


בתאים שכבר קיימים כיום ניתן להגיע להספק של 50 ואט למטר מעוקב של תא דלק חיידקי. התפתחות נוספת בתחום תוכל להקטין את נפח התאים ו/או להגדיל את ההספק.

החיידקים הפעילים באנודה הם חיידקים מחזרי מתכות והם מסוגלים לתרום אלקטרונים הן לתאים אחרים, והן לאנודה.


ההיסטוריה של תאי הדלק החיידקיים החלה כבר ב-1911, כאשר מיכאל פוטר (Potter) חיבר אלקטרודות לתמיסה המכילה חיידקים ולתמיסה סטרילית - והראה מעבר של זרם חשמלי בין התמיסות. שיפור בתאי הדלק החיידקיים הושג ב-1931, כאשר הוסיפו לאנודה חומרים שהם נשאי אלקטרונים (potassium ferrycyanide, benzoquinone). בהמשך התברר, שחלק מהחיידקים אינם זקוקים לנשאים כאלה, וזאת מפני שיש להם נשאי אלקטרונים טבעיים בממברנה שלהם ולעתים אף מבנים חלבוניים מורכבים, הממוקמים מחוץ לתא החיידק ומאפשרים מעבר אלקטרונים יעיל מהחיידק התורם לחיידקים אחרים, או לאלקטרודה. מבנים אלה, שבמקורם הם שעריות (pili) של החיידקים, מכונים ננו-תיילים חיידקיים (microbial nanowires).

בתנאי מעבדה, כאשר הכניסו לאנודה תרביות טהורות של חיידקי Geobacter sulfurreducens או Shewanella oneidensis, הצליחו לייצר חשמל ואף לעקוב אחרי שלבי התהליך. אך כאשר מדובר בחיידקים ממקורות חיצוניים, למשל כאלה שמגיעים מהביוב, התברר שחיידקים ממינים שונים משתלבים בתהליך ייצור החשמל ושהם יוצרים קרומים ביולוגים על האנודה (ראו גם ברשומה "החיים הקרומיים של החיידקים").

חיידקים מייצרי חשמל (electrigens)
Geobacter
המין הראשון של הסוג Geobacter, G. metallireducens, נתגלה בשנת 1987 בקרקעית הבוצית של נהר הפוטומק בוושינגטון, על ידי קבוצת המחקר של פרופ' דרק לבלי (Lovely) מאוניברסיטת מסצ'וסטס. בהמשך נמצאו מינים נוספים במקורות יבשתיים ומימיים נוספים. כיום מוגדרים בסוג Geobacter 13 מינים.

Geobacter הם מתגים אל-אווירניים, המשתמשים ביונֵי מתכות (במקום בחמצן) כקולטי אלקטרונים סופיים בתהליך הנשימה. ניתן להשתמש בהם לטיהור מים ממתכות ומזיהומים אורגניים.

לחיידקי Geobacter שעריות מיוחדות הבנויות מחלבונים, והן שמאפשרות לחיידק למסור אלקטרונים, הן לחיידקים אחרים והן לאלקטרודה. קוטר השעריות כ-5-3 ננומטר ואורכן כ-20 מיקרומטר (פי 10 מאורכו של החיידק) - ומצפה אותם החלבון שהוא נשא האלקטרונים האחרון בשרשרת - התורם את האלקטרונים לקולט האלקטרונים הסופי. ניתן יהיה להשתמש בשעריות אלה, לאחר שיופרדו מכמויות גדולות של חיידקים, לתעשייה האלקטרונית כמוליכים זעירים (nanowires).





חיידקי Geobacter metallidreducens, שימו לב לשעריות.
המקור: NASA


Shewanella
גם חיידקי Shewanella הם מתגים אל אווירניים, המשתמשים ביוני מתכות כקולטי אלקטרונים סופיים, ומשתמשים בהם לניקוי מים מזיהומים של סטרונציום וכרום. אך להבדיל מהשעריות של Geobacter, מספר שעריות של Shewanella מתלפפות יחד ויוצרות מוליכים שקוטרם כ-50 ננומטר.

כיום מוגדרים בסוג Shewanella 49 מינים. 

Shewanella
Courtesy: Pacific Northwest National Laboratory


לסיכום: 
הטכנולוגיה של תאי הדלק החיידקיים עדיין בתחילת הדרך. אולם השילוב של ניקוי סביבתי והפקת חשמל על-ידי חיידקים נראה מבטיח. 

לקריאה נוספת
פורסם במקור ב"גליליאו" גיליון 125, ינואר 2009.

אין תגובות:

פרסום תגובה