Палочка Ильича

Одним из перспективных направлений развития энергетики будущего является использование бактерий и микроорганизмов для выработки энергии. Конечно, бактерии для выработки энергии используются и сейчас – например, именно благодаря им гниют компостные ямы, обогревающие самодеятельные теплицы ранней весной.

Однако для специалистов и просто интересующихся давно не секрет, что микроскопические организмы в ходе своего метаболизма используют окислительно-восстановительные реакции, в результате которых происходит разложение сложных природных соединений на простые компоненты. Эти реакции сопровождаются транспортом электронов от восстановителя – к окислителю, от сложных биологических молекул – к химическим веществам, выделяемым организмами.

Такие сложные окислительно-восстановительные процессы, как и простая реакция окисления водорода кислородом воздуха, могут быть использованы для выработки электроэнергии в топливных элементах.

Поэтому ученые уже давно пытаются поставить на пути электронов внешние электрические цепи, с тем чтобы преобразовать это движение электронов в полезную для человека электрическую энергию. Главным недостатком современных прототипов подобных топливных элементов является их низкая эффективность. В борьбе за её повышение отличились две команды ученых из Сингапура и Японии, продемонстрировавшие на днях два различных подхода к увеличению продуктивности подобных электрохимических ячеек.

Японские специалисты сумели качественно модифицировать поверхность рабочего электрода специфическим полимерным покрытием, служащим эффективным посредником в электронном транспорте.

Бактерии, питающиеся соединениями уксусной кислоты, в ходе окислительного процесса выработки энергии на поверхности анода высвобождают электроны, которые затем вступают в восстановительный процесс, поглощаясь антрохиноновыми акцепторными звеньями полимерного покрытия. В дальнейшем неустойчивая восстановленная форма антрохинонового полимера переходит в свое нормальное состояние, высвобождая электроны, которые на этот раз передаются уже непосредственно на поверхность электрода. Далее процесс повторяется в ходе очередного акта окисления бактериями питательных компонентов раствора.

Как заявляет руководитель научной группы из японской исследовательской компании Ebara Research, Масанори Адати, его коллектив проводил тестирования биологического топливного элемента четыре месяца, в течение которых опытный образец электрохимической системы демонстрировал стабильную работу без потери мощности вырабатываемого электричества. Этот факт рождает надежду на то, что подобные системы уже в скором будущем смогут стать доступными для массового потребителя.

В работе другой научной группы из Технологического университета Наньян в Сингапуре под руководством Чана Мина Ли и Яня Цяо транспорт электронов на поверхность электрода осуществлялся непосредственно самими бактериями. Этот труд стал логическим завершением работы по выращиванию штаммов бактерий Escherichia coli (со школьной скамьи всем известной кишечной палочки) в электрохимических ячейках. Как оказалось, такие штаммы в ходе роста, развития и размножения в среде с приложенным электрическим напряжением вырабатывают способность перемещаться к аноду, служащему токосъёмником.

Происходит это в результате выделения болезнетворными одноклеточными того же самого гидрохинонного полимера, что был испытан в качестве модификатора электродной поверхности в установке японских специалистов.

Механизм здесь точно не исследован, но судя по всему, одноклеточные бактерии каким-то образом вырабатывают дополнительные поры в клеточной мембране, которые и позволяют гидрохинону выделяться во внешнее пространство и достигать поверхности электрода.

Создание подобных топливных элементов, по словам самого Ли, более привлекательно, так как не требуется проводить затратную процедуру дополнительной модификации поверхности электродов, кроме того, КПД таких конструкций заметно выше аналогичных показателей японского прототипа. Ли полагает, что эффективность работы устройств может быть еще больше увеличена с применением технологий генной инженерии. Генетикам уже сегодня под силу создать новые штаммы бактерий, выделяющих гидрохинон в существенно больших количествах.

Необходимость дальнейшего снижения стоимости биологических водородных элементов в своем комментарии для Chemistry World отметил и сотрудник лондонского Университетского колледжа – Сяо Го – специалист в области биологических источников энергии. По его оценочным подсчетам, мощность подобных устройств ещё предстоит повысить на два, а лучше – на три порядка. В противном случае, их практическое применение не будет целесообразным.

В то же время, по его словам, подходы, продемонстрированные японскими и сингапурскими учеными, несомненно, могут привести к успеху и должны быть развиты.