Kurte
Hin cureyên bakteriyan dikarin di dema metabolîzmaya xwe de elektronan derbasî derveyî şaneya xwe bikin. Ev taybetmendî bingeha teknolojiyekê ye ku jê re “pîla sotemeniyê ya mîkrobî” (Microbial Fuel Cell, MFC) tê gotin: amûreke ku bi alîkariya bakteriyan enerjiya kîmyayî ya di madeyên organîk de rasterast vediguherîne elektrîkê. Ev gotar dîroka vê qadê, ji ceribandinên Michael Cressé Potter di sala 1911an de heta lêkolînên nûjen, prensîbên biyokîmyayî yên veguhestina elektronan a derveyî şaneyê, bakteriyên sereke yên wek Geobacter û Shewanella, avahiya pîlên mîkrobî û qadên wan ên bikaranînê dinirxîne. Bi taybetî paqijkirina ava qirêj bi hevdemî bi hilberîna elektrîkê, sensorên jîngehî û amûrên li cihên dûr tên nîqaşkirin. Her wiha sînorên sereke, wek hêza kêm, lêçûna materyalan û zehmetiyên mezinkirina pîvanê, tên ravekirin. Encam nîşan dide ku ev teknolojî hîn nikare bibe çavkaniyeke enerjiyê ya mezin, lê ji bo hin bikaranînên taybet potansiyeleke girîng heye.

Peyvên sereke: pîla sotemeniyê ya mîkrobî, biyoelektrîk, Geobacter, veguhestina elektronan, ava qirêj, enerjiya nûbûyî

1. Destpêk

Bi kevneşopî, elektrîk bi rêya sotina sotemeniyên fosîl, santralên avê, enerjiya navokî, ba an jî panelên rojê tê hilberandin. Lêbelê di xwezayê de rêyên din ên veguherandina enerjiyê jî hene. Hemû zindî, ji mirovan heta bakteriyan, enerjiyê bi rêya reaksiyonên kîmyayî yên ku tê de elektron ji molekûlekê derbasî ya din dibin, bi dest dixin. Elektrîk bi xwe jî herikîna elektronan e. Ji ber vê yekê pirsek xwezayî derdikeve holê: gelo dikare herikîna elektronan a di nav zindiyan de wekî elektrîk were bikaranîn?

Lêkolînên sedsala dawî nîşan didin ku bersiv, ji bo hin bakteriyan, erê ye. Ev gotar vê diyardeyê û teknolojiyên ku li ser bingeha wê pêş dikevin, dinirxîne.

2. Dîroka Kurt

Di sala 1911an de botanîknasê Brîtanî Michael Cressé Potter dît ku dema ku hevîrtirş (maya) an jî bakteriya Escherichia coli madeyên organîk perçe dikin, cudahiyeke potansiyela elektrîkê çêdibe (Potter, 1911). Ev yek ji ceribandinên pêşîn ên naskirî yên li ser elektrîka mîkrobî ye. Lêbelê hêza ku hat bidestxistin pir kêm bû û qad bi dehsalan kêm bal kişand.

Di salên 1980î de lêkolîneran ji bo zêdekirina hêzê madeyên kîmyayî yên bi navê “navbeynkar” (mediator) bi kar anîn, ku elektronan ji hundirê şaneyê digihînin elektrodê. Lêbelê gelek ji van madeyan jehrî an biha bûn. Di dawiya salên 1990î û destpêka salên 2000î de kifşkirina bakteriyên ku dikarin bêyî navbeynkarên derve elektronan rasterast bigihînin elektrodê, qad ji nû ve zindî kir (Lovley, 2006).

3. Prensîbên Biyokîmyayî

3.1. Hilma şaneyî

Di hilma şaneyî de, organîzma madeyên organîk, wek şekir, oksîde dikin û elektronan ji wan digirin. Ev elektron di nav zincîreyeke proteînan de derbas dibin û di dawiyê de digihîjin “wergirê elektronan” ê dawî. Ji bo mirovan û gelek zindiyên din, ev wergir oksîjen e. Lêbelê hin bakterî, nemaze yên ku li cihên bê oksîjen ên wek binê golan û axê dijîn, dikarin madeyên din, wek oksîdên hesin û manganezê, wekî wergirê elektronan bi kar bînin.

3.2. Veguhestina elektronan a derveyî şaneyê

Ji ber ku oksîdên hesin di derveyî şaneyê de ne û nikarin bikevin hundirê wê, divê ev bakterî elektronan bigihînin derve. Ji bo vê yekê çend mekanîzma hene (Lovley, 2006):

• Proteînên li ser rûyê şaneyê: Proteînên bi navê sîtokromên c, ku hesin dihewînin, elektronan ji hundir bo rûyê derve yê parzûna şaneyê derbas dikin.
• “Têlên” mîkrobî: Reguera û hevkarên wê (2005) nîşan dan ku bakteriya Geobacter sulfurreducens dikare bi rêya şaxên biçûk ên proteînî, ku jê re “nanotêl” tê gotin, elektronan bigihîne madeyên dûrî şaneyê. Avahiya rastîn a van têlan paşê bû mijara lêkolînên berdewam.
• Navbeynkarên xwezayî: Hin bakterî, wek Shewanella oneidensis, molekûlên biçûk ên wek flavînan derdixin ku elektronan di navbera şane û rûyên derve de diguhezînin.

Dema ku li şûna oksîdên hesin elektrodeke ji madeyeke rêgir, wek karbonê, tê danîn, bakterî dikarin elektronan bigihînin wê. Bi vî awayî herikîneke elektrîkê çêdibe.

4. Avahiya Pîla Sotemeniyê ya Mîkrobî

Pîleke sotemeniyê ya mîkrobî ya sade ji van beşan pêk tê (Logan, 2008):

• Anod: Elektroda ku bakterî li ser wê qatekê (biyofîlm) çêdikin. Li vir bakterî madeyên organîk, wek madeyên di ava qirêj de, perçe dikin û elektronan didin anodê. Ev beş bê oksîjen tê girtin.
• Katod: Elektroda ku elektron di rêya têleke derve re digihîjin wê û li wir bi oksîjenê û protonan re dibin av.
• Parzûn (membran): Di gelek modelan de parzûneke ku tenê dihêle proton derbas bibin, anod û katodê ji hev vediqetîne.
• Xeleka derve: Têla ku anod û katodê bi hev ve girê dide; amûra ku elektrîkê bi kar tîne li ser vê xelekê tê danîn.

5. Qadên Bikaranînê

5.1. Paqijkirina ava qirêj

Bikaranîna herî balkêş a pîlên mîkrobî paqijkirina ava qirêj e. Santralên paqijkirinê yên kevneşopî ji bo hewadana avê enerjiyeke mezin bi kar tînin. Di pîlên mîkrobî de, bakterî madeyên organîk ên di avê de perçe dikin û di heman demê de elektrîkê hildiberînin. Bi vî awayî, li gorî lêkolîneran, dibe ku beşek ji enerjiya ku ji bo paqijkirinê pêwîst e were vegerandin (Logan & Rabaey, 2012).

5.2. Sensorên jîngehî

Ji ber ku hêza ku pîleke mîkrobî hildiberîne bi çalakiya bakteriyan ve girêdayî ye, guhertinên di hêzê de dikarin nîşan bidin ka di avê de madeyên jehrî an jî madeyên organîk hene an na. Ev yek dihêle ku pîlên mîkrobî wekî sensorên erzan ji bo şopandina kalîteya avê werin bikaranîn.

5.3. Amûrên li cihên dûr

“Pîlên mîkrobî yên binê avê” (sediment MFC), ku anoda wan di nav heriya binê derya an golan de tê bicihkirin, dikarin bi salan bi hêzeke kêm lê domdar amûrên biçûk ên wek sensorên hewayê an jî şopandina deryayê bi enerjiyê bidin.

5.4. Hilberîna madeyên din

Bi guhertina sêwiranê, heman prensîb dikare ji bo hilberîna hîdrojenê an jî madeyên kîmyayî yên din were bikaranîn. Ji van pergalan re bi giştî “teknolojiyên elektrokîmyayî yên mîkrobî” tê gotin (Logan & Rabaey, 2012).

6. Sînor û Pirsgirêk

• Hêza kêm: Hêza ku pîlên mîkrobî hildiberînin li gorî çavkaniyên enerjiyê yên din pir kêm e. Ew ji bo amûrên biçûk têr dike, lê ji bo hewcedariyên mezin ên enerjiyê ne guncav e.
• Lêçûna materyalan: Hin materyalên ku ji bo elektrod û parzûnan tên bikaranîn, wek platîn ji bo katodê, biha ne. Lêkolîner li alternatîfên erzantir digerin.
• Mezinkirina pîvanê: Encamên baş ên di laboratuvarê de her tim di pîvana mezin de bi heman awayî dernakevin. Zêdebûna mezinahiyê dikare bibe sedema kêmbûna karîgeriyê.
• Domdarî: Biyofîlm, elektrod û parzûn bi demê re dikarin qirêj bibin an jî xira bibin.

7. Pêşeroj

Lêkolîn li ser çend rêgezan berdewam dikin: kifşkirin û endezyariya genetîk a bakteriyên ku elektronan baştir diguhezînin, pêşxistina materyalên elektrodê yên erzan û bi bandor, û sêwirandina pergalên ku dikarin bi pîvaneke mezin li santralên paqijkirina avê werin bikaranîn. Her wiha lêkolînên li ser “têlên” mîkrobî ji bo qada elektronîka biyolojîk jî balkêş in. Lêbelê li gorî piraniya lêkolîneran, rola sereke ya vê teknolojiyê di pêşerojeke nêzîk de ne hilberîna enerjiyê bi xwe, lê paqijkirina avê bi lêçûneke enerjiyê ya kêmtir û sensor e (Logan & Rabaey, 2012).

8. Encam

Hin bakterî dikarin di dema metabolîzmaya xwe de elektronan bigihînin derveyî şaneyê û bi vî awayî herikîneke elektrîkê çêkin. Ev diyarde, ku cara pêşîn di sala 1911an de hat dîtin û di salên 2000î de bi kifşkirina bakteriyên wek Geobacter û Shewanella baştir hat fêmkirin, bingeha pîlên sotemeniyê yên mîkrobî ye. Ev teknolojî ji bo paqijkirina ava qirêj, sensorên jîngehî û amûrên li cihên dûr potansiyeleke girîng nîşan dide. Lêbelê hêza kêm, lêçûna materyalan û zehmetiyên mezinkirina pîvanê sînorên wê yên sereke ne. Ji ber vê yekê bakterî hîn nikarin bibin çavkaniyeke elektrîkê ya mezin, lê dikarin di hin qadên taybet de beşdariyeke girîng bikin.

Çavkanî

• Logan, B. E. (2008). Microbial fuel cells. John Wiley & Sons.
• Logan, B. E., & Rabaey, K. (2012). Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical technologies. Science, 337(6095), 686–690.
• Lovley, D. R. (2006). Bug juice: Harvesting electricity with microorganisms. Nature Reviews Microbiology, 4(7), 497–508.
• Potter, M. C. (1911). Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, 84(571), 260–276.
• Reguera, G., McCarthy, K. D., Mehta, T., Nicoll, J. S., Tuominen, M. T., & Lovley, D. R. (2005). Extracellular electron transfer via microbial nanowires. Nature, 435(7045), 1098–1101.