Vi khuẩn “hít thở” tạo ra điện

Phát triển mới trong năng lượng sạch và công nghệ sinh học

Một nhóm do nhà khoa học sinh học Caroline Ajo-Franklin của Đại học Rice, Mỹ dẫn đầu đã phát hiện ra một số loại vi khuẩn thở bằng cách tạo ra điện, sử dụng một quá trình tự nhiên đẩy các electron vào môi trường xung quanh thay vì hít thở oxy. Những phát hiện được công bố trên Tạp chí Cell có thể tạo ra những phát triển mới trong năng lượng sạch và công nghệ sinh học công nghiệp.

Bằng cách xác định cách những vi khuẩn này đẩy các electron ra bên ngoài, các nhà nghiên cứu đã hé lộ một chiến lược ẩn giấu trước đây của sự sống vi khuẩn. Công trình này, kết hợp sinh học với điện hóa học, đặt nền tảng cho các công nghệ trong tương lai khai thác khả năng độc đáo của những sinh vật cực nhỏ này.

Ajo-Franklin, Giáo sư khoa học sinh học, Giám đốc Viện Sinh học tổng hợp Rice và Học giả của Viện Nghiên cứu và Phòng ngừa Ung thư Texas (CPRIT), cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi không chỉ giải quyết một bí ẩn khoa học lâu đời mà còn chỉ ra một chiến lược sinh tồn mới và có khả năng lan rộng trong tự nhiên".

Giải thích về quá trình hô hấp điện

Hầu hết các sinh vật hiện đại đều dựa vào oxy để chuyển hóa thức ăn và giải phóng năng lượng. Oxy đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng trong chuỗi phản ứng tạo ra năng lượng. Nhưng vi khuẩn, vốn có từ lâu đời hơn nhiều so với các sinh vật hiện đại như con người và thực vật, đã phát triển những cách khác để hô hấp trong môi trường thiếu oxy, bao gồm các lỗ thông hơi dưới biển sâu và ruột người.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một số vi khuẩn sử dụng các hợp chất tự nhiên gọi là naphthoquinone để truyền electron ra bề mặt bên ngoài. Quá trình này, được gọi là hô hấp ngoại bào, mô phỏng cách pin xả dòng điện, cho phép vi khuẩn phát triển mà không cần oxy.

Các nhà khoa học từ lâu đã quan sát thấy chế độ hô hấp bất thường này và khai thác nó trong công nghệ sinh học như một thứ gì đó giống như hộp đen. Giờ đây, một nhóm do Đại học Rice đứng đầu đã phát hiện ra cơ chế của nó - một bước đột phá cho thấy hô hấp ngoại bào có thể phổ biến hơn nhiều trong tự nhiên so với những gì chúng ta từng nghĩ trước đây.

Biki Bapi Kundu, một nghiên cứu sinh Tiến sĩ tại Đại học Rice và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: "Cơ chế hô hấp mới được phát hiện này là một cách đơn giản và khéo léo để hoàn thành công việc". “Naphthoquinone hoạt động như chất chuyển phát phân tử, mang electron ra khỏi tế bào để vi khuẩn có thể phân hủy thức ăn và tạo ra năng lượng”.

Mô phỏng sự sống không cần không khí

Các nhà nghiên cứu của Đại học Rice đã hợp tác với phòng thí nghiệm Palsson tại Đại học California, San Diego, Mỹ  để thử nghiệm các phát hiện của họ. Sử dụng mô hình máy tính tiên tiến, họ mô phỏng sự phát triển của vi khuẩn trong môi trường không có oxy nhưng giàu bề mặt dẫn điện. Các mô phỏng cho thấy vi khuẩn thực sự có thể tự duy trì bằng cách giải phóng electron ra bên ngoài.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tiếp theo đã xác nhận rằng vi khuẩn được đặt trên vật liệu dẫn điện tiếp tục phát triển và tạo ra điện, thực sự thở qua bề mặt. Phương pháp tiếp cận liên ngành này đã làm sâu sắc thêm sự hiểu biết về tính linh hoạt của quá trình trao đổi chất của vi khuẩn và tiết lộ một phương pháp theo thời gian thực để theo dõi và tác động đến hành vi của vi khuẩn bằng điện tử.

Khám phá cơ bản này có ý nghĩa thực tế sâu rộng. Các quy trình công nghệ sinh học như xử lý nước thải và sản xuất sinh học có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc quản lý tốt hơn sự mất cân bằng electron. Vi khuẩn thở ra điện có thể khắc phục những sự mất cân bằng này để duy trì hoạt động hiệu quả của hệ thống.

“Công trình của chúng tôi đặt nền tảng cho việc khai thác carbon dioxide thông qua điện tái tạo, nơi vi khuẩn hoạt động tương tự như thực vật có ánh sáng mặt trời trong quá trình quang hợp”, Ajo-Franklin cho biết. “ Phát hiện mở ra cánh cửa để xây dựng các công nghệ thông minh hơn, bền vững hơn với sinh học là cốt lõi”. Công nghệ này cũng có thể cho phép các cảm biến điện tử sinh học trong môi trường thiếu oxy, cung cấp các công cụ mới để chẩn đoán y tế, giám sát ô nhiễm và thám hiểm sâu không gian.

Khuẩn E.Coli được thiết kế sản xuất điện từ nước thải

Trong một động thái có thể cải thiện quá trình xử lý nước thải và dẫn đến việc sản xuất các thiết bị chạy bằng vi khuẩn mới, các kỹ sư đã cung cấp năng lượng điện cho vi khuẩn thông thường. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế vi khuẩn E. Coli thông thường để sản xuất điện từ nhiều nguồn thông thường, bao gồm cả nước thải. Những phát hiện được trình bày trên Tạp chí Joule có thể là một lợi ích cho quá trình xử lý nước thải, đồng thời cũng tạo ra năng lượng.

Các nhà máy xử lý nước thải truyền thống tiêu thụ một lượng lớn năng lượng và tạo ra khoảng 3% lượng khí thải nhà kính. Sử dụng vi khuẩn để chuyển đổi nước thải thành công nghệ điện có thể giúp giảm tác động môi trường đó. “Vì công nghệ của chúng tôi dựa trên khuẩn E.coli, một loại vi khuẩn thông thường, nên chúng tôi có sự linh hoạt để áp dụng công nghệ này ở bất kỳ đâu trên thế giới, sử dụng nhiều nguồn chất thải khác nhau”, Ardemis Boghossian, Giáo sư tại Viện Khoa học Hóa học và Kỹ thuật của Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) tại Thụy Sĩ cho biết.

Ngoài ra, bà Boghossian cho biết, phát hiện này có "ý nghĩa quan trọng đối với điện tử sinh học. Nó cho phép chúng ta tạo ra các thiết bị điện tử được cung cấp năng lượng bởi các vi khuẩn sống và các ứng dụng gần như vô hạn". Vi khuẩn có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa cacbon thành các hóa chất khác. Các nhà khoa học đã khai thác khả năng này của vi khuẩn để biến chất thải của con người thành nhiên liệu và chế tạo các loại vi khuẩn đặc biệt có thể tiêu hóa đường để tạo ra các khối xây dựng của nhiên liệu, dược phẩm và nhựa như nylon.

Một số vi khuẩn cũng tự nhiên sản xuất điện khi chúng tiêu thụ các vật liệu hữu cơ. Nhưng chúng chỉ có thể làm như vậy khi có sự hiện diện của một số hóa chất nhất định, Boghossian cho biết. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng khai thác vi khuẩn để sản xuất điện bằng cách chế tạo các thiết bị giống như pin được gọi là pin nhiên liệu vi khuẩn. Bà Boghossian  giải thích rằng, "Pin nhiên liệu vi khuẩn sử dụng điện cực để trích xuất điện từ vi khuẩn". "Tối ưu hóa giao diện giữa điện cực và vi khuẩn là chìa khóa để tối đa hóa hiệu suất của công nghệ này". Trong khi các nghiên cứu trước đây tập trung vào việc chế tạo các điện cực để tối ưu hóa giao diện này, Boghossian và các đồng nghiệp của bà tập trung vào việc chế tạo vi khuẩn.

Các nhà nghiên cứu từ EPFL đã chuyển các thành phần di truyền từ Shewanella oneidensis MR-1, một loại vi khuẩn có khả năng sản xuất điện, vào E.coli. Điều này giúp khuẩn E.Coli có khả năng chuyển electron từ bên trong tế bào ra môi trường bên ngoài để sản xuất điện. E.Coli bao gồm một nhóm lớn các loại vi khuẩn khác nhau. Một số vô hại và sống trong ruột của con người và động vật, nhưng các chủng khác có thể gây bệnh khi tiêu thụ thông thường qua thực phẩm. E.Coli cũng là một số loại vi khuẩn được nghiên cứu rộng rãi nhất trên thế giới.

Không giống như các loại vi khuẩn sản xuất điện khác, E.Coli được thiết kế có thể tạo ra điện bằng cách phân hủy một loạt các vật liệu hữu cơ và không cần chất xúc tác. Trong các thử nghiệm trên nước thải mà nhóm nghiên cứu thu thập được tại một nhà máy bia địa phương, các vi khuẩn ngoại lai không thể sống sót, trong khi E.Coli được thiết kế có thể phát triển mạnh.

Boghossian cho biết việc triển khai là bước tiếp theo rất thực tế đối với công nghệ này. Đó là vì vi khuẩn được thiết kế có tính bổ sung cao với các tế bào nhiên liệu vi khuẩn, vốn đã được sử dụng tại nhiều nhà máy xử lý nước thải. Các tế bào nhiên liệu hiện tại này dựa vào vi khuẩn không hiệu quả trong việc sản xuất điện hoặc vi khuẩn chỉ có thể sản xuất điện từ một số nguồn hạn chế.

Bà Boghossian cho biết việc bổ sung vi khuẩn được thiết kế mới có thể thúc đẩy sản xuất điện. “Cuối cùng, chúng ta sẽ cần dựa vào cả vi khuẩn được thiết kế và điện cực để tạo ra một công nghệ lý tưởng để sản xuất điện từ chất thải” - nhà khoa học nhấn mạnh.

Người bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường

Những khám phá như trên cũng không thể thực hiện được nếu không có sự hỗ trợ của các kỹ sư xử lý nước thải, những người không chỉ chịu trách nhiệm thiết kế, xây dựng và vận hành các hệ thống thu gom và xử lý nước thải mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và triển khai các công nghệ tiên tiến giúp hiện thực hóa những khám phá như thế này. Các kỹ sư xử lý nước thải làm việc để thiết kế và sửa đổi các hệ thống xử lý để thích ứng với các loại vi khuẩn này, đảm bảo hoạt động liên tục của chúng để sản xuất năng lượng tối ưu. Nhờ chuyên môn, họ đóng góp vào khả năng mở rộng và độ tin cậy của công nghệ, giúp công nghệ có thể áp dụng trên quy mô lớn hơn trong các cơ sở xử lý nước thải đa dạng.

Hơn nữa, vai trò của các kỹ sư xử lý nước thải không chỉ giới hạn ở việc triển khai kỹ thuật; họ còn đóng vai trò là người bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường. Bằng cách tích hợp vi khuẩn tạo ra điện vào quá trình xử lý nước thải, các kỹ sư góp phần tạo ra nguồn nước sạch hơn, đồng thời tạo ra nguồn năng lượng tái tạo. Phương pháp tiếp cận lợi ích kép này phù hợp với các mục tiêu rộng hơn về tính bền vững và hiệu quả sử dụng tài nguyên.

Các kỹ sư xử lý nước thải đi đầu trong việc giải quyết tác động môi trường của nước thải, tích cực tìm kiếm các giải pháp không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn quy định mà còn góp phần tạo nên một tương lai bền vững và phục hồi hơn. Sự kết hợp giữa kỹ thuật xử lý nước thải và sản xuất điện từ vi khuẩn đại diện cho một bước chuyển đổi hướng tới việc giải quyết những thách thức cấp bách trong quản lý môi trường và năng lượng tái tạo. Khả năng khai thác điện từ nước thải không chỉ nâng cao hiệu quả xử lý nước thải mà còn hứa hẹn cung cấp các giải pháp năng lượng bền vững và dễ tiếp cận cho cộng đồng trên toàn thế giới.

Sự đổi mới này nhấn mạnh tiềm năng của khoa học và công nghệ trong việc tạo ra sự kết hợp giữa quản lý môi trường và sản xuất năng lượng, mở đường cho một tương lai xanh hơn và phục hồi hơn.