חיידקים מחשמלים

חיידקים יכולים להוות גם מקור לחשמל – האנרגיה המופקת מהמטבוליזם החיידקי יכולה להפוך ישירות לזרם חשמלי, שאותו ניתן לנצל במוצרים צורכי חשמל במקומות מרוחקים שאינם מחוברים לרשת החשמל

חיידקים ארכאיים (או ארכאונים) מייצרים מתאן, שאותו ניתן לשרוף כדי להפיק אנרגיה חשמלית. אנו גם מכירים חיידקים הפולטים מימן מולקולרי, שגם משרפתו ניתן להפיק אנרגיה חשמלית. יש חיידקים שמייצרים אֶתָנול, שגם ממנו ניתן להפיק אנרגיה.

מתברר, שניתן להפיק אנרגיה מחיידקים מסוימים בשיטות ישירות יותר ויעילות יותר – האנרגיה המופקת מהמטבוליזם החיידקי יכולה להפוך ישירות לזרם חשמלי, שאותו ניתן לנצל במוצרים צורכי חשמל במקומות מרוחקים שאינם מחוברים לרשת החשמל – כגון חיישנים, פנסים וטלפונים אלחוטיים.

יכולתם של חיידקים להפיק חשמל ידועה כבר כמעט מאה שנה; אך רק בשנים האחרונות, כתוצאה מעליית מחירי הנפט וחיפוש מקורות אנרגיה חלופיים, מהתפתחות ההבנה והידע לגבי מנגנונים פיזיולוגיים שבהם מועברים אלקטרונים כחלק מתהליכי המרת אנרגיה, ומפיתוח הטכנולוגיה של תאי דלק, החלו לנסות ליישם יכולת זו בצורה מעשית.

תאי הדלק החיידקיים עדיין אינם מיושמים בצורה מסחרית, אך המחקר שלהם והעניין בהם מתרחבים בשנים האחרונות. יש כוונה להשתמש בהם, בין היתר, כשיטה לטיפול בביוב (כשהחומרים האורגנים בביוב משמשים כמקורות האנרגיה לחיידקים) וכמקורות לחשמל באזורים מרוחקים ומבודדים.

ההיסטוריה של תאי הדלק החיידקיים החלה כבר ב-1911, כאשר חיבר מיכאל פוטר (Potter) אלקטרודות לתמיסה המכילה חיידקים ולתמיסה סטרילית, והראה

מעבר של זרם חשמלי בין התמיסות. שיפור בתאי הדלק החיידקיים הושג ב-1931, כאשר הוסיפו לאנודה חומרים שהם נשאי אלקטרונים (potassium ferrycyanide, benzoquinone). בהמשך התברר, שחלק מהחיידקים אינם זקוקים לנשאים כאלה, זאת מפני שיש להם נשאי אלקטרונים טבעיים בממברנה שלהם ולעתים אף מבנים חלבוניים מורכבים, הממוקמים מחוץ לתא החיידק ומאפשרים מעבר אלקטרונים יעיל מהחיידק התורם לחיידקים אחרים או לאלקטרודה. מבנים אלה, שבמקורם הם שעריות (pili) של החיידקים, מכונים microbial nanowires.

בתנאי מעבדה, כאשר הכניסו לאנודה תרביות טהורות של חיידקי Geobacter sulfurreducens או Shewanella oneidensis, הצליחו לייצר חשמל ואף לעקוב אחרי שלבי התהליך. אך כאשר מדובר בחיידקים ממקורות חיצוניים, למשל כאלה שמגיעים מהביוב, התברר שחיידקים ממינים שונים משתלבים בתהליך ייצור החשמל ושהם יוצרים קרומים ביולוגים על האנודה.

חיידקים מייצרי חשמל (electrigens)

המין Geobacter metallireducens, נתגלה בשנת 1987 בקרקעית הבוצית של נהר הפוטומק בוושינגטון, על-ידי קבוצת המחקר של פרופ' דרק לבלי (Lovely) מאוניברסיטת מסצ'וסטס. בהמשך נמצאו מינים נוספים בסוג Geobacter במקורות יבשתיים ומימיים נוספים. כיום מוגדרים בסוג 13 מינים.

Geobacter הם מתגים אל-אווירניים, המשתמשים ביונֵי מתכות (במקום בחמצן) כקולטי אלקטרונים סופיים בתהליך הנשימה. ניתן להשתמש בהם לטיהור מים ממתכות ומזיהומים אורגניים.

לחיידקי Geobacter שעריות מיוחדות הבנויות מחלבונים, והן שמאפשרות לחיידק למסור אלקטרונים, הן לחיידקים אחרים והן לאלקטרודה. קוטר השעריות כ-5-3 ננומטר ואורכן כ-20 מיקרומטר (פי 10 מאורכו של החיידק) – ומצפה אותן החלבון שהוא נשא האלקטרונים האחרון בשרשרת – התורם את האלקטרונים לקולט האלקטרונים הסופי. לאחר שיופרדו מכמויות גדולות של חיידקים אפשר יהיה להשתמש בשעריות אלה לתעשייה האלקטרונית כמוליכים זעירים (nanowires).

גם חיידקים בסוג Shewanella הם מתגים אל אווירניים, המשתמשים ביוני מתכות כקולטי אלקטרונים סופיים, ומשתמשים בהם לניקוי מים מזיהומים של סטרונציום וכרום. אך להבדיל מהשעריות של Geobacter, מספר שעריות של Shewanella מתלפפות יחד ויוצרות מוליכים שקוטרם כ-50 ננומטר. כיום מוגדרים בסוג 49 מינים.

הטכנולוגיה של תאי הדלק החיידקיים עדיין בתחילת דרכה, אולם השילוב של ניקוי סביבתי והפקת חשמל על-ידי חיידקים נראה מבטיח.

ד”ר דרור בר-ניר מלמד מיקרוביולוגיה וביולוגיה של התא באוניברסיטה הפתוחה. הכתבה פורסמה במגזין “גליליאו “.