Бактерии научились добывать электричество прямо на дне водоёмов
Загрязнённые донные отложения рек, озёр и прибрежных зон могут стать не только объектом очистки, но и источником электроэнергии. Международная группа учёных подвела итоги развития донных микробных топливных элементов (SMFC) — биоэлектрохимической технологии, которая превращает загрязнённый ил на дне водоёмов в источник электроэнергии. Анализ показывает, что такие системы уже вышли из лабораторий: они способны очищать сточные воды с эффективностью свыше 97%, удалять тяжёлые металлы и годами обеспечивать энергией автономные датчики. Согласно оценке авторов, дальнейшее масштабирование технологии может сделать её заметным инструментом борьбы с загрязнением окружающей среды и сокращения выбросов CO2.
В основе технологии лежит естественный процесс, который миллионы лет происходит в донных отложениях рек, озёр и морей. В бескислородном слое ила живут микроорганизмы, разлагающие органические остатки растений, животных и другие отходы. В ходе этой работы бактерии высвобождают электроны. Обычно энергия просто рассеивается в окружающей среде, однако в микробном топливном элементе её можно собрать и использовать для получения электричества.
Конструкция системы относительно проста. Анод размещается непосредственно в донных осадках, где работают бактерии, а катод — в более богатой кислородом воде над ними. Возникающая разница электрохимических потенциалов заставляет электроны двигаться по внешней цепи, создавая электрический ток.
Ключевым открытием последних десятилетий стало обнаружение экзоэлектрогенных бактерий — микроорганизмов, способных передавать электроны напрямую на электроды. Среди наиболее известных представителей таких бактерий — Geobacter sulfurreducens и Shewanella oneidensis. Они формируют своеобразные «биологические нанопровода», по которым электрический заряд может передаваться за пределы клетки.
Изображение сгенерировано: Nano BananaВ отличие от классических микробных топливных элементов, которые работают в лабораторных реакторах и требуют контролируемых условий, донные системы используют уже существующие природные процессы. Это позволяет превращать загрязнённые осадки из экологической проблемы в источник энергии непосредственно на месте их нахождения.
Однако выработка электричества — лишь часть возможностей технологии. Исследования показывают, что SMFC способны эффективно очищать воду от различных загрязнителей. В некоторых экспериментальных системах степень удаления органических загрязнений, измеряемая по показателю химического потребления кислорода, превышала 97%. Также были продемонстрированы высокие показатели удаления тяжёлых металлов и связывания избытка фосфора, который часто становится причиной цветения водоёмов.
Особенно перспективным направлением считается объединение донных топливных элементов с искусственными водно-болотными угодьями. В таких системах растения и микроорганизмы работают совместно. Корни растений выделяют органические вещества, которые служат дополнительным источником питания для бактерий, а сами микробные сообщества помогают очищать воду и поддерживать здоровье экосистемы.
Одним из главных факторов прогресса технологии стали новые материалы для электродов. Большое внимание сегодня уделяется «биочару» — материалу, получаемому из древесины и растительных остатков. Он отличается высокой пористостью, большой площадью поверхности и низкой стоимостью. Использование в сочетании с различными наноструктурированными покрытиями позволяет значительно повысить эффективность работы топливных элементов, снизить внутренние потери энергии и улучшить условия для роста бактерий.
Разрыв между лабораторными и реальными показателями пока остаётся что значительным. В природных условиях мощность таких систем обычно измеряется десятками милливатт на квадратный метр. Однако в экспериментальных установках с оптимизированными материалами исследователям уже удалось получить более 3 ватт на квадратный метр, что демонстрирует потенциал дальнейшего развития технологии.
Практическое применение уже действительно выходит за рамки лабораторий. Одним из наиболее впечатляющих примеров стали глубоководные датчики, которые получали питание от донных микробных топливных элементов более тысячи дней без внешнего источника энергии. Такие системы рассматриваются как перспективный способ обеспечения автономной работы океанографических приборов, экологических станций и сенсорных сетей в удалённых районах.
Авторы обзора связывают развитие SMFC с достижением сразу нескольких целей устойчивого развития ООН, включая обеспечение доступа к чистой воде, развитие экологически безопасной энергетики и сокращение выбросов парниковых газов. Широкое внедрение подобных биоэлектрохимических технологий в будущем может способствовать предотвращению выбросов от 0,4 до 0,9 млрд тонн CO?-эквивалента ежегодно.
Несмотря на достигнутый прогресс, перед разработчиками остаются серьёзные задачи. Главные из них — увеличение масштаба систем, повышение долговечности оборудования и сохранение стабильной работы в реальных природных условиях, где температура, химический состав воды и активность микроорганизмов постоянно меняются.
Тем не менее исследователи считают, что донные микробные топливные элементы уже перестали быть лабораторным экспериментом. Сегодня они постепенно превращаются в технологию, способную сделать то, что ещё недавно казалось невозможным: превратить грязный ил на дне водоёма одновременно в источник чистой энергии и инструмент восстановления окружающей среды.
© iXBT
