DMCA.com Protection Status

Pin vi sinh vật  quan tâm

Được đăng bởi: Hoàng Kim Sinh

Cập nhật lúc 21:09 ngày 30/12/2017

Khi chúng ta cắm một điện cực trần trên mặt đất, thông thường, sẽ không có hiện tượng đặc biệt gì xảy ra. Tuy nhiên nếu điện cực này được cắm vào lớp bùn trầm tích của sông Potomac, ta sẽ thu được dòng điện. Thủ phạm của việc này là do một lớp các vi sinh vật nằm trong nhóm các vi sinh vật có khả năng tạo điện năng, mà cụ thể là chúng tạo ra dòng điện thông qua việc chuyển các electron thu được từ quá trình chuyển hóa thức ăn tới các chất nhận điện tử là các hợp chất kim loại bên ngoài tế bào. Vậy là thay vì sử dụng oxy để “thở”, các vi sinh vật này lại sử dụng kim loại, do đó chúng có thể tạo ra năng lượng điện chỉ bằng cách hô hấp. Lợi dụng điều này, các nhà sinh vật học cùng các kỹ sư đang nỗ lực sử dụng các vi sinh vật này như một nguồn cung cấp năng lượng mới cho các hoạt động xử lý nước thải, vốn từ trước đến nay luôn gây tiêu tốn một lượng lớn năng lượng điện.

1. Các vi sinh vật tạo điện năng

Đối với các sinh vật nhân chuẩn và các vi sinh vật được nghiên cứu đầy đủ nhất hiện nay, trong giai đoạn cuối của quá trình hô hấp, chúng đều sử dụng chuỗi vận chuyển điện tử để chuyển năng lượng thu được từ thức ăn sang năng lượng hóa học và sử dụng oxy làm chất nhận điện tử cuối cùng. Với vi sinh vật tạo điện năng, chúng cũng sử dụng quy trình tương tự như vậy. Tuy nhiên ở bước cuối cùng, thay vì các phân tử oxy bên trong tế bào nhận điện tử, thì các điện tử này lại được chuyển trực tiếp ra bên ngoài tế bào.

Chuỗi truyền điện tử (Nguồn: https://www.boundless.com)

Các vi sinh vật tạo điện năng cũng rất đa dạng trong cách thức hoạt động. Ngoài việc tạo thành dòng điện nhờ quá trình tạo ra điện tử qua quá trình chuyển hóa thức ăn, loài vi sinh vật có tên gọiMariprofundus lại có khả năng “lấy” điện tử từ một điện cực và chuyển chúng trực tiếp cho oxy mà không đòi hỏi bất kỳ thức ăn nào. Còn đối với Even Shewanella, chúng có thể thực hiện cả chuyển hóa yếm khí và hiếu khí. Ở anot, chúng sản sinh điện tử bằng chuyển hóa yếm khí trong khi đó ở catot, chúng có thể chuyển hóa hiếu khí và tiêu thụ các điện tử. Thậm chí, các nhà nghiên cứu còn phát hiện ra một số vi sinh vật còn có khả năng chuyển điện tử đến các loài vi sinh vật khác.

Vi khuẩn Shewanella (Nguồn: http://www.sciencebuddies.org)

Vi khuẩn Geobacter (Nguồn: http://www.alt-energy.info)

Về vi sinh vật tạo điện năng, Geobacter và Shewanella là hai chi mà các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu. Trong khi Geobacter sử dụng các ion sắt làm chất nhận điện tử trong bước cuối của quá trình hô hấp của mình thì Shewanella lại sử dụng mangan bằng việc chuyển hóa chất rắn mangan thành dạng chất khoáng hòa tan được. Điều đặc biệt là những vi sinh vật này chuyển trực tiếp các điện tử thu được từ thức ăn qua màng tế bào mà không sử dụng chất trung gian hóa học nào. Chính điều này đã khiến chúng trở thành tiềm năng trong việc sản xuất pin có nguồn gốc từ vi sinh vật.

2. Pin vi sinh vật

Do đặc tính thú vị của mình, các vi sinh vật tạo điện năng hiện nay đang được nghiên cứu ứng dụng như một nguồn năng lượng giàu tiềm năng, mà ứng dụng ban đầu là pin vi sinh vật (microbial fuel cell-MFC).

Cấu tạo một pin vi sinh vật 

Cấu tạo của pin này bao gồm hai buồng: anot và catot, được cách biệt với nhau bởi một màng có đặc tính trao đổi proton (proton exchange membrane-PEM). Tại anot, các vi sinh vật thực hiện chuyển hóa sinh học và tạo thành electron và proton. Sau đó, các proton đi vào catot thông qua màng trao đổi PEM còn điện tử thì được vận chuyển thông qua một mạch bên ngoài. Tại buồng catotproton và điện tử phản ứng song song với nhau cùng với sự giảm oxy trong nước. Tuy nhiên, nếu có mặt oxy trong buồng anot, điện tử và proton hình thành sẽ bị ức chế hoặc sẽ có thời gian tồn tại ngắn. Vì vậy, buồng anot phải được thiết kế yếm khí để đảm bảo cho quá trình hô hấp cũng như sự tồn tại của proton và điện tử.

Lấy ví dụ với nguồn cacbon là acetate, ta có phương trình hóa học xảy ra ở hai khoang như sau:

Khoang anot: C2H4O2 + 2H2O -> 2CO2 + 8e- + 8H-

Khoang catot: 2O2 + 8e- + 8H- -> 4H2O

3. Ứng dụng trong công nghiệp xử lý nước thải

Các nghiên cứu trong việc ứng dụng các vi sinh vật tạo điện năng hiện nay chủ yếu áp dụng trong công nghiệp xử lý nước thải. “Chúng ta sử dụng khoảng 100 tỉ kWh mỗi năm để xử lý nước thải, tức là 3% tổng số lượng điện sử dụng trên toàn quốc”. Zhiyong Jason Ren, phó giáo sư tại Đại học Colorado phát biểu. Vì vậy, ông đang nghiên cứu cách thiết kế sử dụng các vi sinh vật này thành một mạng lưới cung cấp năng lượng mới. Đồng thời ông cũng nghiên cứu cách khai thác công nghệ này trong việc làm sạch các vết dầu loang.

Kenneth Nealson, giáo sư trường đại học Nam California, hy vọng rằng vi khuẩn tạo điện năng có thể được triển khai như một nguồn năng lượng sử dụng cho tái tạo nước ngọt, từ đó có thể thiết kế nhằm tối đa hóa sự thu hồi nước chứ không phải là sự tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, vẫn còn một chặng đường dài để đi trước khi nhưng ý tưởng này có thể trở thành hiện thực.

Dịch giả Đào Mai Anh