معماری

ارتقاء صنعت برق به کمک باکتری Shewanella oneidensis

ارتقاء صنعت برق به کمک باکتری Shewanella oneidensis

استفاده از جریان الکتریسیته جهت تولید برق و روشن ساختن دنیا اولین بار توسط توماس ادیسون در سال 1880 به بشریت هدیه شد. توماس ادیسون شاید بزرگ‌ترین مخترع در طول تاریخ بوده است. وی تنها سه ماه برای تحصیل به مدرسه رفت اما این مخترع بزرگ با اختراعات خود زندگی میلیون‌ها نفر را دگرگون ساخت.

ادیسون مردی شگفت پرکار و کم خواب بود و چون از کار روزانه دست می‌کشید مطالعات علمیش را درباره برق دنبال می‌کرد و گاه تا سپیده‌دم بیدار می‌ماند. نخستین اختراعش دستگاهی بود که حشرات و سوسک‌های اداره تلگراف بوستون را از بین می‌برد، بنابراین پیشرفت در زمینه صنعت برق و تولید جریان الکتریسیته جهت به مصرف رساندن آن در انواع دستگاه‌ها را مدیون توماس ادیسون هستیم. امروزه روش‌های نوینی برای تولید جریان الکتریسیته در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود. از ساده‌ترین روش یعنی حرارت دادن و استفاده از سوخت‌های فسیلی و حرکت توربین‌های آبی تا روش‌های نوین از جمله استفاده از فرایند شکافت هسته‌ای اتم‌ها و سوخت‌های اتمی در رآکتورهای اتمی توسط بشر ارائه شده است.

با پیشرفت فناوری و بهره‌گیری از علم، بشر علاقه دارد تا با استفاده از کمترین هزینه و انرژی بیشترین سود را داشته باشد به خاطر همین باکتری‌شناس‌ها نوعی باکتری جدیدی را شناسایی کرده‌اند که می‌تواند جریان الکتریسیته را تولید کند. شاید دور از تصور باشد که یک جرم بسیار ریز در حد میکرون چطور می‌تواند جریان الکتریسیته تولید کند؟ اما این موضوع حقیقت دارد، نام این باکتری شوانلا انیدنسیس از خانواده شوانلاها است.

خانواده شوانلا از راسته پروتئوباکتری‌ها از کلاس گاما پروتئو بوده و دارای 44 جنس می‌باشد. در چارت‌های زیر نام جنس‌های خانواده باکتری شوانلا درج شده است، بطوریکه حرف S مخفف شوانلا و نام جنس بصورت کامل نوشته شده است:

S.abyssi S.algea S.algidipiscicola
S.amazonensis S.aquimarina S.baltica
S.benthica S.colwelliana S.decolorationis
S.denitrificans S.donghaensis S.fidelis
S.frigidimarina S.gaetbuli S.gelidimarina
S.glacialipiscicola S.hafniensis S.halifaxensis
S.hanedai S.irciniae S.japonica
S.kaireitica S.livingstonensis S.loihica
S.marinintestina S.marisflavi S.morhuae
S.olleyana S.oniedensis S.pacifica
S.pealeana S.piezotolerans S.penumatophori
S.profunda S.psychrophila S.putrefaciens
S.sairae S.schlegeliana S.sediminis
S.spongiae S.surugensis S.violacea
S.waksmanii S.woodyi

 

شوانلا انیدنسیس یک باکتری گرم منفی میله‌ای بی‌هوازی است که عمدتاً در دریاهای عمیق و زیستگاه‌های بی‌هوازی یافت می‌شود، همچنین می‌توان آن را در زیستگاه‌های خاکی بی‌تحرک نیز یافت. در غشاء خارجی شوانلا انیدنسیس با حضور یک لیپوپروتئین، سیتوکروم‌های Mtrc و OMCA وجود دارند. این سیتوکروم‌ها بدلیل داشتن توانایی‌های بالقوه خود در بازسازی زیستی فلزات سنگین علاقه خاص دانشمندان در زمینه پژوهش را بخود جلب کرده‌اند. کل ژنوم شوانلا اندنسیس توسط مؤسسه تحقیقات ژنوم (TIGR) در راکویل و مریلند و کالیفرنیا تعیین توالی شده است.

Shewanella oniedensis MR-1 دارای 4566 ژن در کل ژنوم خود می‌باشد که در سپتامبر 2002 بطور کامل تعیین توالی شد. از مجموع 4566 ژن، 4324 ژن کد کننده سنتز پروتئین هستند. این تعداد ژن در مجموع دارای 4969803 نوکلئوتید در Shewanella oniedensis است و غلظت پایه GC 45% می‌باشد که همه این ژن‌ها در یک کروموزوم حلقوی بصورت فشرده قرار گرفته‌اند.

 

همچنین در سیتوپلاسم باکتری S.oniednsis MR-1 یک پلاسمید چرخان به نام PMR-1 وجود دارد. این پلاسمید دارای 184 ژن است که 149 ژن آن کد کننده سنتز پروتئین می‌باشد. تنفس بی‌هوازی این باکتری به کمک کاهش آهن سه ظرفیتی در غشاء خارجی سیتوکروم‌های Mtrc و OMCA انجام می‌شود. این کار با اتصال اکسیداسیون کربن آلی به گیرنده الکترون مانند آهن (III) و اکسیژن و نیترات و یا فلزات دیگر انجام می‌گردد.

 

زمانی که در محیط زیست فراوری با غلظت پذیرنده پائین الکترونی قرار گیرد، این باکتری توانایی تولید پیلی‌های مو مانند را در ساختار خود دارد

این پیلی به باکتری کمک می‌کند تا در سطوح فلزات به آسانی قرار گیرد. مسیر سوخت و ساز مرکزی برای باکتری S.oniedensis MR-1، مسیر سرین ایزوسیترات لیاز است که در آن فرمالدئید ساخته شده از فرایند پیروات با اسید امینه گلیسین واکنش داده و منجر به تولید اسید آمینه سرین می‌شود.

Shewanella oniedensis در محیط‌های خاکی و رسوبی زمانی که گیرنده‌های الکترون فراوانی وجود دارند تشکیل بیوفیلم می‌دهد.

شوانلا انیدنسیس قادر به تولید انرژی است و عامل اصلی تولید این انرژی ریبوفلاوین یا همان ویتامین B2 است. همانطور که گفته شد این باکتری‌ها بیشتر در خاک و آب یافت می‌شوند و مورد علاقه دانشمندان هستند زیرا می‌توانند ذرات سازنده خود مانند اسید لاکتیک را به جریان الکتریسیته تبدیل کنند. ویژگی بسیار مهم این باکتری‌ها حرکت در مدار مغناطیسی زمین است، بعبارتی این باکتری‌ها عملکردی شبیه به قطب‌نما دارند بنابراین شوانلا اندنسیس با افزایش مقدار ریبوفلاوین می‌تواند جریان الکتریسیته بیشتری تولید کند.

در نتیجه این باکتری می‌تواند راهگشای روش‌های جدید در زمینه انرژی‌های تجدید پذیر و پاکسازی محیط باشد.

سلول‌های سوختی میکروبی (MFCs): سلول‌های سوخت میکروبی، الکترون‌های تولید شده توسط باکتری را برای قدرت سلول‌های سوختی تحت کنترل درمی‌آورند که برای اولین بار این پدیده در باکتری شوانلا انیدنسیس مشاهده شد. بطور خاص بیوفیلم میکروبی در سطح آند با استفاده از مواد آلی رشد کرده و باکتری، هیدروژن مواد آلی را دریافت می‌کند. این هیدروژن از غشاء خارجی باکتری عبور کرده و باعث تولید جریان الکتریسیته می‌شود. همچنین الکترون‌های تولید شده از میان مقاومت (لامپ) عبور کرده و به سمت قطب کاتد حرکت می‌کنند. در کاتد اکسیژن می‌تواند به عنوان گیرنده نهایی الکترون عمل کند و در نهایت الکترون و پروتون با هم واکنش داده، تولید آب می‌کنند.

استفاده بالقوه از MFCs: از آنجایی که MFCs تولید برق می‌کند و می‌تواند نوعی سوخت بوسیله مواد آلی باشد، به عنوان پتانسیل بزرگی برای جایگزینی رآکتورهای فاضلاب محسوب می‌شود؛ به عبارتی به دلیل پرهزینه بودن و مصرف زیاد برق ماشین آلات تصفیه خانه فاضلاب کنونی، MFCs به عنوان یک راه اقتصادی در کاهش مصرف هزینه‌ها می‌تواند جایگزین مناسبی باشد.

MFCs و انرژی پاک: به دلیل چالش‌های سلول‌های سوخت میکروبی، استفاده از MFCs برای تولید برق در مقیاس بزرگ دشوار خواهد بود. با این حال می‌توان MFCs را براحتی برای تولید برق بجای هیدروژن تغییر داد. بطور خاص گاز هیدروژن مولکولی سرشار از انرژی است که بعنوان سوخت پاک بجای نفت پیشنهاد شده چرا که بجای خروج دود از اگزوزها می‌تواند تولید آب کند.

 

استفاده از هیدروژن شوانلا: محققان تلاش برای تغییر هیدروکربن‌ها به سوختی شبیه نفت را آغاز کرده‌اند. آنها یک سری مراحل را نه تنها برای تغییر هیدروکربن‌های شوانلا، بلکه برای تغذیه شوانلا با قند از باکتری فتوتروف پیشنهاد کرده‌اند. علاوه بر این باکتری‌های هتروتروف با استفاده از دی اکسید کربن تولید نفت کرده و گازهای گلخانه‌ای را که حاصل از احتراق هیدروکربن‌هاست به مصرف می‌رسانند. در شکل زیر باکتری شوانلا انیدنسیس بصورت هم کشت با باکتری فتوتروفیک وجود دارد که از نور خورشید و دی اکسید کربن برای تغذیه استفاده می‌کند. یکی دیگر از راه‌های جایگزین تغذیه‌ای باکتری شوانلا اصلاح ژنوم آن است تا بتواند از لایه‌های تجدید پذیر مانند اتانول برای متابولیسم استفاده کند. رشد شوانلاها سریع و کم هزینه و پایدار است و با بررسی فن‌آوری‌های جدید برای پردازش هیدروکربن شوانلا می‌توان از آنها بعنوان سوخت مایع استفاده کرد.

در نهایت باکتری شوانلا انیدنسیس به تولید طولانی هیدروکربن غیر اشباع برای حفظ سیالیت غشاء خود ادامه می‌دهد که یک منبع بالقوه هیدروکربن تجدید پذیر محسوب می‌شود و این باکتری تجسم شاهکارهای باورنکردنی از طبیعت و منبع انرژی پاک برای آینده است.

 

References:

1-“Biohydrocarbons: New platforms for producing liquid fuel.” 2009. University of Minnesota.

2- Derby H, Hammer B. 1931. “Bacteriology of butter. IV. Bacteriological studies of surface taint butter.” Iowa Agric. Exp. Stn. Res. Bull. 145:387–416.

3- Fredrickson, J, et al. 2008. “Towards environmental systems biology of Shewanella.” Nature Reviews in Microbiology. Volume 6:592-603.

4- Gorby YA, Yanina S, McLean JS, Rosso KM, Moyles D, et al. 2006. “Electrically conductive bacterial nanowires produced by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms.” Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103:11358–63.

5- Gorby, et al. 2010. “Electrical transport along bacterial nanowires from Shewanellaoneidensis MR-1.”PNAS. 108(16).

6- Gralnick and Hau. 2007. “Ecology and biotechnology of genus Shewanella.” Annu Rev Microbiol.61:237-58.

7- He, Z. et al. (2005) “Electricity generation from artificial wastewater using an upflow microbial fuel cell.” Environ. Sci. Technol. 39, 5262–5267.

8- “Hydrogen Fuel Cells.” 2006. Dept of Energy Hydrogen Program.

9- Lies DP et al. (2005) “Shewanella oneidensis MR-1 uses overlapping pathways for iron reduction at a distance and by direct contact under conditions relevant for biofilms.”Appl Environ Microbiol 71:4414-4426.
10- Liu, H. and Logan, B.E. (2004) “Electricity generation using an air- cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane.” Environ. Sci. Technol. 38, 4040–4046.

11- Logan and Regan. 2006. “Electricity producing bacterial communities in microbial fuel cells.” Trends in Microbiology. 14(12).

12- Lowy, D.A. et al. (2006) “Harvesting energy from the marine sediment- water interface II – kinetic activity of anode materials.” Biosens.Bioelectron.21, 2058–2063.

13- MacDonell M, Colwell R. 1985.“Phylogeny of the Vibrionaceae, and recommendation for two new genera, Listonella and Shewanella.” Syst. Appl. Microbiol. 6:171–82.

14- Marsili, et al. 2008. “Shewanella secretes flavins that mediate extracellular electron transfer.”PNAS. 105(10):3968-3973.

15- Meyer T. et al., “Identifiaction of 42 possible cytochrome c genes in the Shewanellaoneidensis genome and characterization of six soluble cytochromes.” OMICS. 8. 57-77 (2004).

16- Myers, J and Myers, C. 2001. “Role for Outer Membrane Cytochromes OmcA and OmcB of Shewanellaputrefaciens MR-1 in Reduction of Manganese Dioxide.”Appl and Env Microbiology. 67(1):260-69.

17- Rozendal, R.A. et al. 2006. “Principle and perspectives of hydrogen production through biocatalyzed electrolysis.”Int. J. Hydrogen Energy. 31:1632-1640.

18- Sukovich, D, et al. 2010. “Structure, function and insights into the biosynthesis of a head-to-head hydrocarbon in Shewanellaoneidensis strain MR-1.”Appl. Environ. Microbiol. 76(12):3842-3829.

19- Thormann, et al. 2004.“Initial phases of biofilm formation in Shewanellaoneidensis MR-1.”J of Bacteriology. 186(23): 8096-8104.

20- Venkateswaran K, Moser D, Dollhopf M, Lies D, Saffarini D, et al. 1999. “Polyphasic taxonomy of the genus Shewanella and description of Shewanellaoneidensis sp.” nov. Int. J. Syst. Bacteriol. 49:705–24.

ماهنامه اخار آزمایشگاهی

شاهین اسعدی و الهام علیزاده میلانی دانشجویان ژنتیک مولکولی- دکتر علی نظیرزاده متخصص ژنتیک-

دکتر سعید اتحاد سیتولوژیست- دکتر مهدی داداشپور بیوتکنولوژیست- دکتر رقیه آل جعفر مایکولوژیست-

دکتر لیلا نواپور باکتریولوژیست