Tế bào năng lượng vi sinh vật

Mỹ mỗi năm trung bình 33 tỷ gallon nước thải sinh hoạt phải xử lý sơ bộ trước khi đổ ra sông. Nếu chỉ tính riêng tiền điện thì mỗi năm Mỹ phải chi 25 tỷ USD cho quá trình vận hành hệ thống xử lý. Đó là chưa kể đến một lượng lớn hóa chất tiêu tốn và mới chỉ tính riêng Mỹ... Cả thế giới vừa phải đối phó với nguy cơ thiếu nước sạch, vừa phải giải quyết tình trạng lượng chất thải ngày một nhiều do sức ép dân số.

Geobacter sp

Câu trả lời của những vấn đề hóc búa trên là một công nghệ đã từng ra đời vào năm 1962, 1963 (Sisler, Konikoff, Reynold, Harris) nhưng bị "ngủ quên" cho đến những năm gần đây, khi nhu cầu năng lượng trở nên bức thiết hơn bao giờ hết.

Ứng dụng tế bào năng lượng vi sinh vật xử lý chất thải - Một công đôi chuyện

"Quá trình phân rã các hợp chất hữu cơ trong tế bào vi sinh vật luôn đi kèm với sự phóng thích năng lượng điện tử". M.C.Porter (1911)

Từ năm 1911 Porter đã khẳng định dòng electron luôn tồn tại với quá trình chuyển hóa trong cơ thể sinh vật sống, là nền tảng để 50 năm sau Sisler là người đầu tiên phát hiện ra có sự xuất hiện dòng điện khi cho vi sinh vật phát triển trên anode graphite. Lúc đó, do dòng điện thu được là quá nhỏ đồng thời các nhà tiên phong sử dụng dòng vào (input fuel) là môi trường nuôi cấy, khiến cho dòng điện này trở nên đắt và khó ứng dụng. Đó chính là lý do mà phát hiện lý thú này sớm chìm vào quên lãng và các cơ chế phóng thích electron của vi sinh vật vào anode cũng chưa thể giải thích dù con người đã thuộc nằm lòng các chuỗi chuyển hóa trong tế bào... Chỉ trong những năm gần đây, khi tình hình nhiên liệu hóa thạch bắt đầu "nóng", người ta lại nhận thấy sự bất tận của nguồn điện vi sinh vật và tính thực tiễn của nó, nhiều nhà khoa học bắt đầu tập trung nghiên cứu, chiếm lĩnh nguồn năng lượng đã từng "ngủ quên" này.

Một số nguyên tắc chính:

Nguyên tắc chính của tế bào năng lượng vi sinh vật (microbial fuel cells) là dòng electron được chuyển gián tiếp thông qua sự tương tác giữa sản phẩm khử với điện cực dương. Sự tách biệt về mặt không gian của phản ứng nhận electron cuối tạo ra chênh lệch về suất điện động và xuất hiện dòng electron chạy qua khi ta dùng dây dẫn nối 2 điện cực lại.

Có 3 loại tế bào năng lượng vi sinh vật chính:

+ Loại A: Các chất dẫn electron trung gian có sẵn trong môi trường.
+ Loại B: Các loại vi sinh vật có hệ protein màng đặc biệt, có khả năng chuyển electron trực tiếp lên điện cực.
+ Loại C: Điện cực bị vi sinh vật oxy hóa để tạo ra nguồn electron.

Một số hệ thống tiêu biểu:

+ Hệ thống của Peter Benetto (London) sử dụng hệ enzyme biến đổi cơ chất ngoại bào ở nấm men: khó có khả năng ứng dụng quy mô lớn vì cơ chất bắt buộc là Methylene blue.

+ Năm 2004, trường đại học Pennsynvania chế tạo thành công hệ thống thu năng lượng từ vi khuẩn với cấu trúc theo kiểu bioreactor với 1 khoang duy nhất,dòng nhiên liệu vào được nhập liên tục. Theo cải tiến này, nếu sử dụng dòng vào là nước thải thì ngoài điện năng thu được, nồng độ chất hữu cơ hòa tan giảm đáng kể. Chỉ tiêu DO của nước luôn ổn định do không khí được khuếch tán liên tục, cung cấp Oxy cho phản ứng tại Catot.

proton + oxy --> nước.

Bruce Logan, cha đẻ của mẫu thiết kế trên cho biết khó khăn hiện tại trong việc ứng dụng tế bào năng lượng vi sinh vật là nguồn năng lượng tạo ra còn quá nhỏ, đồng thời không thể dùng Platinium làm điện cực cho các hệ thống lớn. Tuy nhiên theo nhận định của ông, tế bào năng lượng vi sinh vật vẫn là xu thế của tương lai với giá thành rẻ tương đương với liệu pháp thực vật trong xử lý nước thải.

+ Hệ thống sử dụng khả năng truyền electron trực tiếp vào điện cực của vi khuẩn nhóm Geobacteraceae của NASA với hiệu điện thế thực là 0.5 Volt, nhờ hệ thống khuyếch đại đi kèm, nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Bruce Brittmann tăng hiệu điện thế này lên được 2 Volt. Hiện NASA đã ứng dụng hệ thống này để giải quyết vấn đề chất thải sinh hoạt của các phi hành đoàn .

Khám phá về quá trình chuyển điện tử lên điện cực:

Để giải thích về khả năng phóng điện cũng như hiệu suất phóng điện khác nhau giữa các loài vi sinh vật, người ta đã đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau như diện tích tiếp xúc quá nhỏ giữa ETP (electron transport protein) và điện cực, hay nhiều loài vi khuẩn (như E. coli, Pseudomonas, Proteus, Bacillus...) không có khả năng chuyển electron trong các phản ứng nội bào ra bên ngoài...

Ở những nghiên cứu đầu tiên về tế bào năng lượng vi sinh vật, người ta giả thuyết quá trình phóng điện xảy ra nhờ electron transport protein trên màng.

Phát hiện gần đây nhất trên tế bào năng lượng là cơ chế chuyển điện tử từ chất cho điện tử cuối đến chất nhận điện tử cuối - một phức hệ đưa electron ra ngoài tế bào thay vì như chúng ta từng biết, toàn bộ các phản ứng diễn ra bên trong tế bào, trên màng hay không gian chu chất.

Nghiên cứu cho thấy quá trình khử sắt của vi khuẩn Geobacter sulfurreducens diễn ra trên pili của vi khuẩn với các nguyên tử Fe(III) bám trên đầu pili. Bản thân tế bào và đầu pili đã giống một cặp điện cực, chính vì vậy mà người ta nhận thấy quá trình chuyển điện tử ở Geobacteraceae hiệu quả hơn nhiều so với các loại vi khuẩn khác.

Ngoài Geobacter, một số loại vi khuẩn có tiềm năng khác trong lĩnh vực này là Rhodoferax ferrireducens, Shewanella putrefaciens, Aeromonas hydrophila, Desulfomonas sp... trong đó vi khuẩn Geobacter sulfurreducens và Shewanella putrefaciens nổi lên đặc biệt bởi khả năng sử dụng nguồn cơ chất đa dạng, thích hợp nhất trong việc sản xuất điện từ chất thải.

Kết quả của nghiên cứu đăng trên Nature rev 2006 là một phát hiện quan trọng về cơ chế chuyển electron, nó hiện thực hóa khả năng cải tiến để ứng dụng tế bào năng lượng vi sinh vật vào thực tế. Tuy vậy một vấn đề khác cũng được đánh giá cao ở đây chính là môi trường nghiên cứu, công cụ mô hình cho nghiên cứu dòng điện ở vi khuẩn.

Tài liệu tham khảo:

[1] Derek R. Lovrey. Bug juice: harvesting electricity with microorganisms. Nature Rev. 4, 497-508 (July 2006)
[2] Article: NASA-supported researchers are working to develop a fuel cell that can extract electricity from human waste.
[3] Fuel-cell Microbes' Double Duty: Treat Water, Make Energy. Science daily.(2004)
[4] Bacteria Convert Food Processing Waste To Hydrogen. Science daily. (2003)
[5] Mario Jardon. Microbial fuel cells from Rhodoferax ferrireducens (2003)

Nguyễn Hữu Hoàng