فهرست مطالب
برق، خون حیات یک جامعه مدرن و به روز است. این فن‌آوری به واسطه قدرت بخشیدن به صنایع موجب پیشرفت‌های تکنولوژیکی و تغییر سبک زندگی انسان‌ها شده است. به دلیل اهمیت داشتن این فناوری، با رشد جمعیت جهانی تولید برق چالش‌های مهمی از جمله امنیت انرژی، پایداری زیست محیطی و نیاز فوری به کاهش تغییرات آب و هوایی را به همراه دارد. از نظر تاریخی، منابع اصلی برق، سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت همراه با انرژی هسته‌ای بوده‌اند. در نتیجه، منابع تولید برق ضمن تامین انرژی فراوان و قابل اعتماد، پیامدهای زیست محیطی و ژئوپلیتیکی عمیقی دارند. سوخت‌های فسیلی گازهای گلخانه ای را آزاد می‌کنند و به تغییرات آب و هوایی، آلودگی هوا و موجب از بین رفتن منابع طبیعی محدود می‌شود.
از گذشته تا به امروز بشر همواره به دنبال راهکار‌هایی برای زندگی بهتر بوده‌است؛ پس می‌توان گفت محدودیت‌های تولید برق، مانع از کشف روش‌های جدید برای تولید برق نشده‌است. نتیجه جدید‌ترین تحقیقات نشان داده که می‌توان از باکتری‌ها به عنوان منبعی برای تولید انرژی استفاده کرد. در واقع می‌توان گفت تحقیقات برای تولید برق از باکتری‌ها تنها به زمان حال کنونی اکتفا نمی‌کند؛ بلکه از گذشته نیز تحقیقات زیادی برای تولید باکتری‌ها صورت گرفته است. در ابتدا لازم است تا با تاریخچه استفاده از میکروب‌ها برای تولید برق آشنا شویم.
ایده استفاده از میکروب‌ها مربوط به چه زمانی هست؟
استفاده از میکروب‌ها برای تولید برق اولین بار در سال ۱۹۱۱ میلادی، توسط قارچ‌شناسی بریتانیایی به نام مایکل کرسه پاتر مطرح شد. او موفق شد از مخمر آبجو برق تولید کند. پس از آن، استفاده از میکروب‌ها به عنوان منبعی برای تولید برق ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرد و باعث شد به دنبال راهکار‌هایی برای اجرا سازی این ایده باشند. در واقع میکروب‌ها از طریق جذب مواد خاصی و به دنبال آن جذب آن مواد، می‌توانند برق تولید کنند و نکته قابل توجه اینجا است که باکتری‌ها در انتخاب این مواد بسیار سخت گیر هستند و هر ماده‌ای را برای تولید برق جذب نمی‌کنند. درحال‌حاضر تیمی از محققان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) یکی از رایج‌ترین گونه‌های باکتری به نام اشریشیاکُلی (E.coli) را برای تولید برق از فاضلاب کارخانه‌های آب‌جوسازی مهندسی کرده‌اند. حال قصد داریم شما را با این روش پژوهشگران آشنا کنیم. در ابتدا لازم است بدانیم منظور از برق چیست؟ آیا ارتباطی بین الکترون‌ها و انژی برق وجود دارد؟
برق یا الکتریسیته (Electricity) چیست؟
منظور از برق درواقع همان جریان الکتریکی هست و می‌دانیم که جریان الکتریکی از حرکت الکترون‌های درون یک اتم حاصل می‌شوند. الکترون‌ها که عامل اصلی تولید کننده برق هستند، در تمامی ذرات جهان، از جمله بدن انسان، باکتری‌ها و … وجود دارند. با پیشرفت فناوری و بهره‌گیری از علم، بشر علاقه زیادی پیدا کرد تا با استفاده از کمترین هزینه، بیشترین انرژی را تولید کند و در کنار آن سود خوبی نیز داشته باشد. به همین دلیل دانشمندان نوعی باکتری جدید را شناسایی کرده‌اند که می‌تواند جریان الکتریسیته را تولید کند. شاید دور از تصور باشد که یک جرم بسیار ریز در حد میکرون چطور می‌تواند جریان الکتریسیته تولید کند؟ اما این موضوع حقیقت دارد. نتیجه تحقیقات دانشمندان نشان داده است که باکتری اشرشیاکُلی توانایی تولید برق دارد. حال سوال پیش می‌آید که E. coli دقیقا چه نوع باکتری است و چه نقشی در تولید برق دارد؟
E.coli اشرشیاکُلی (E.coli) چیست و چه نقشی در تولید برق دارد؟
اشریشیا کلی یا E.Coli باکتری ایجاد کننده انواع عفونت‌های مختلف است. باکتری اشریشیا کلی عضوی از خانواده انتروباکتریاسه بوده و نوعی باکتری بی هوازی گرم منفی بشمار می‌رود. جالب است بدانید که این باکتری شاید از نظر سلامت جسمانی آسیب رسان باشد اما درواقع در صنعت بسیار سودمند و کاربردی است. در واقع وجود نوعی پروتئین در غشای سلولی این باکتری به آن، این اجازه را می‌دهد که الکتریسته تولید کند. تولید برق از باکتری پدیده‌ی نوظهوری است که در آخرین تحقیقات متخصصان MIT، به آن دست یافته‌اند. این باکتری قادر است در سلول‌های خود الکترون آزاد کرده و به این وسیله نیروی الکتریسیته از خود ساطع کند. نکته‌ی جالب اینجاست که باکتری‌های مزبور برای ادامه‌ی حیات خود ناچار به آزاد کردن الکترون و در پی آن تولید برق هستند. از این روی نیازی به دخالت بشری و وادار ساختن ساختار فیزیکی آنها به این واکنش نیست. اما با جهش ژنتیکی تست شده احتمالا بتوان الگوی رفتاری این باکتری‌ها را تغییر داده و دریافت الکتریسیته و برق بالاتری از آنها داشت. پس . در صورتی که دانشمندان قادر به اصلاح و دستکاری ژنتیکی باکتری‌ها شوند، اتفاق تازه و بزرگی در این حوزه پیش رو خواهد بود. پس همان طور که گفته شد باکتری‌هایی که الکتریسیته تولید می‌کنند این کار را با تولید الکترون‌ها در سلول‌هایشان انجام می‌دهند، در فرآیندی که به عنوان انتقال الکترون خارج سلولی یا EET شناخته می‌شود سپس آن الکترون‌ها را از طریق کانال‌های کوچکی که توسط پروتئین‌های سطحی تشکیل شده‌اند، به غشای سلولی خود منتقل می‌کنند. در ادامه بحث کمی تخصصی‌تر می‌شود و لازم است برای ادامه مطلب شمارا با تعریف میکروسیال آشنا کنیم. میکروسیالات (Microfluidics) به جریان سیالات در ابعاد میکرومتری اشاره دارد. میکروسیالات بر اساس اصول فیزیکی و مکانیک سیالات عمل می‌کند، در این فناوری می‌توان به طور دقیق جریان سیال را کنترل کرده، نمونه‌ها را جدا و ترکیب کرده، واکنش‌های شیمیایی را انجام داد و اندازه‌گیری‌های دقیقی از ویژگی‌های سیالات بررسی کرد. حالا که با مفهوم میکروسیال آشنا شدیم می‌توانیم به درک بهتری از دستاورد محققان MIT در حوزه تولید برق از باکتری دست یابیم.
تحقیقات MIT چه بستری را برای تولید برق از باکتری فراهم می‌کند؟
مهندسین و محققان موئسسه MIT یک تکنیک میکروسیالی کشف کردند که می‌تواند نمونه‌های کوچکی از باکتری‌ها را به سرعت پردازش کند و یک ویژگی خاص را که مربوط به توانایی باکتری در فرایند تولید برق می‌شود را اندازه‌گیری کند. آنها می‌گویند، نتیجه تحقیقات ما نشان داده که این شیوه، تحت عنوان قطبش شناخته می‌شود و توانایی دارد در مقایسه با تکنیک‌های حال حاضر برای ارزیابی فعالیت الکتروشیمیایی یک باکتری کارآمدتر و امن‌تر باشد. در حقیقت این تحقیقات به معنای پیدا کردن روشی برای تنفس باکتری‌هایی است که در محیطهای دارای فقر اکسیژن زندگی می‌کنند. این میکروب‌های مقاوم، می‌توانند در اعماق معادن، در پایین دریاچه‌ها، و حتی در دستگاه گوارش انسان زندگی کنند و یک شکل منحصر به فرد تنفس که شامل دفع و پمپاژ الکترون است را برای ادامه حیات خود اجرا کنند. به عبارت دیگر، این میکروب‌ها در واقع می‌توانند الکتریسیته تولید کنند.
این تیم موفق شد، جریان بسیار کوچک نمونه‌های میکرولیتری از هر گونه باکتری را از یک کانال میکروسیالی ساعت شنی شکل، عبور دهد و به آرامی توانستند ولتاژ را در سراسر کانال به شکل یک ولت در ثانیه، از 0 تا 80 ولت بالا ببرند. آنها همچنین از طریق یک تکنیک تصویربرداری تحت عنوان سرعت سنجی تصویر ذرات، توانستند میدان الکتریکی ناشی از سلول‌های باکتریایی هنگام عبور از کانال را تا زمان رسیدن به بخش باریک کانال که جریان قوی‌تری دارد؛ مورد برسی قرار دهند. در نتیجه‌ی اعمال این ولتاژ و برسی میدان الکتریکی تعدادی از باکتری‌ها در ولتاژ اعمال شده‌ی پایین تر به دام افتادند و تعدادی دیگر از باکتری‌ها در ولتاژهای بالاتر به دام افتادند. سپس آنها توانستند با استفاده از یک شبیه سازی کامپیوتری میزان قطبش یک سلول را تعیین کنند. براساس محاسبات انجام شده، آنها کشف کردند که باکتری‌هایی که از لحاظ الکتروشیمیایی بیشتر فعال بودند تمایل بالاتری به قطبش داشتند. آنها این رابطه را در تمام گونه‌های باکتری گروه آزمایش مشاهده کردند. در حقیقت تمامی این مراحل برای این موضوع انجام گرفت تا ما بتوانیم از طریق فرایند قطبش به عنوان یک پیشنیاز برای انتخاب میکروارگانیسم مناسب دارای فعالیت الکتروشیمیایی بالا به منظور سهولت در تولید برق استفاده کرد. در حقیقت محققان می‌توانند تولید الکتریسیته را با اندازه گیری قطبش ارزیابی کنند دقیقا کاری بود که محققان این تیم موفق شدند با تکنیک میکروسیالی انجام دهند. حال سوال پیش می‌آید که هدف از انجام این پژوهش چیست؟
در واقع هدف از انجام این پژوهش که درباره تولید برق از باکتری است به شرح زیر است:
هدف این پروژه تجمع باکتری‌های E.Coli به شکلی است که نیروی برقی تولید شده از آن ها در یک بردار منسجم شده و قادر به استفاده‌ی کاربری باشد. به طور مثال محققان MIT با تولید برق از باکتری شبیه سازی حرکت و یا روش‌های عملیاتی دیگر نظیر تصفیه فاضلاب را بررسی کردند. اگرچه چیزی که در حال حاضر محققان به آن دست یافته‌اند، جریان الکتریسیته در سطوح پایین است، اما داده‌ها در شکل تئوری نشان می‌دهد که روش‌هایی برای بالا بردن قدرت جریان برق وجود دارد. با دستکاری ژنتیکی و تغییرات سلولی امکان دست‌یابی به باکتری‌هایی با توان بالاتر تولید نیروی برق را پیش رو داریم.
نویسنده: هلیا مشهدی‌باقر‌کرباسی
منابع:
- https://news.mit.edu/2019/identifying-electricity-producing-bacteria-0111#:~:text=Bacteria%20that%20produce%20electricity%20do,extracellular%20electron%20transfer%2C%20or%20EET.
- https://news.mit.edu/2019/identifying-electricity-producing-bacteria-0111#:~:text=Bacteria%20that%20produce%20electricity%20do,extracellular%20electron%20transfer%2C%20or%20EET.
- https://www.zoomit.ir/fundamental-science/409127-e-coli-bacteria-generate-electricity/
- https://www.zoomit.ir/fundamental-science/409127-e-coli-bacteria-generate-electricity/
- https://www-sciencealert-com.translate.goog/scientists-engineer-e-coli-bacteria-to-generate-electricity?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=fa&_x_tr_hl=fa&_x_tr_pto=wapp
چقدر دنیای باکتری‌ها هیجان انگیزه واقعا، ممنون بابت مطالب جذابتون🤞🏻🌹