Tế bào nào có thể chuyển hóa những dạng năng lượng nào thành dòng điện?

Pin nhiên liệu vi khuẩn (MFC) là hệ thống điện hóa sinh học khai thác các hoạt động trao đổi chất của một số vi khuẩn để tạo ra dòng điện. Những vi khuẩn này, được gọi là vi sinh vật ngoại điện, có khả năng đặc biệt là chuyển các electron từ quá trình trao đổi chất của chúng trực tiếp sang điện cực. Chất nền cho những vi khuẩn này có thể khác nhau, nhưng thường bao gồm các chất hữu cơ như nước thải, chất thải nông nghiệp hoặc thậm chí cả nước tiểu.

Quá trình bắt đầu với việc vi khuẩn tiêu thụ chất hữu cơ và phân hủy nó thông qua quá trình trao đổi chất của chúng. Trong quá trình này, vi khuẩn giải phóng các electron dưới dạng sản phẩm phụ. Những electron này sau đó được giữ lại bởi cực dương của MFC, nơi tiếp xúc với vi khuẩn. Các electron di chuyển qua mạch ngoài của MFC và cuối cùng được cực âm chấp nhận, nơi chúng kết hợp với oxy để tạo thành nước.

Phản ứng hóa học tổng thể có thể được đơn giản hóa như sau:

Chất hữu cơ + Vi khuẩn → Electron (bị bắt bởi cực dương)

Electron (qua mạch ngoài) → Cathode + Oxy → Nước

Kết quả của sự chuyển điện tử này là một dòng điện được tạo ra giữa cực dương và cực âm. Điện áp và công suất đầu ra của MFC phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như loại vi khuẩn, nồng độ chất nền và hiệu suất của hệ thống.

Dưới đây là một số ví dụ về tế bào có thể chuyển đổi năng lượng hóa học để tạo ra dòng điện bằng MFC:

Shewanella oneidensis:Loại vi khuẩn này thường được sử dụng trong MFC do hoạt tính ngoại điện cao. Loài Shewanella có thể sử dụng nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau và được tìm thấy trong môi trường nước.

Geobacter sulfurreducens:Một loại vi khuẩn ngoại điện nổi tiếng khác, Geobacter, có thể chuyển electron sang các điện cực và sử dụng các chất nền khác nhau như acetate và lactate.

Pseudomonas aeruginosa:Các loài Pseudomonas đã cho thấy khả năng tạo ra điện trong MFC sử dụng các chất hữu cơ như glucose và axetat.

Escherichia coli:Mặc dù không được sử dụng phổ biến như vi khuẩn đã đề cập trước đó, một số chủng E. coli nhất định đã được thiết kế để thể hiện hành vi ngoại điện.

Những tế bào này đáng chú ý vì khả năng chuyển đổi năng lượng hóa học được lưu trữ trong các hợp chất hữu cơ thành năng lượng điện thông qua quá trình chuyển điện tử ngoại bào. Khả năng này mở ra khả năng cho các ứng dụng sản xuất năng lượng sinh học và xử lý nước thải, trong đó MFC có thể tạo ra điện đồng thời xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ.