New York’ta yaklaşık 30 yıl önce, elektrik üretebilme yeteneğine sahip bir bakteri ilk defa izole edildi. Shewanella oneidensis adlı bu bakteri, Kaliforniya Üniversitesi’nden bir araştırma grubuna, kimyasal olarak modifiye edilmiş mikrobiyal yakıt hücresi üretmeleri için ilham verdi. Demir ve diğer mineralleri kullanarak Shewanella, metabolizmasının bir parçası olarak elektrik üretebilir. Bu sistem, hücre zarındaki akımı yönlendiren proteinlere bağlıdır.

Günümüzde, Shewanella ve Geobacter olmak üzere iki tür elektrik üretebilen bakteri bilinmektedir. Bu elektrik üreten bakterilerin enerjinin en saf formunu kullandığı söylenebilir. Çünkü solunumunda oksijen kullanan tüm canlılar solunum reaksiyonlarının son aşamasında elektron aktarımıyla enerji depolar. Bu bakteri türlerin farkı ise, oksijenli solunum yerine doğrudan elektron alıp, elektron akışı sırasında ihtiyaç duyduğu enerjiyi ve böylece elektriği üretmesidir. Bunu yapabilmek için, taşlardan ve metallerden elektron formunda olan saf elektriği toplarlar. Pil elektrotlarında bakteri çoğaltmayla ilgili deneyler de bu bakterilerin elektriği tükettiğini ve dışarı attığını gösterdi.

Elektrik Üreten Bakterilerin Kimyasal Modifikasyonu

Araştırmacılar, demir içeren bir molekül olan DSFO+’yı oluşturdular ve bu molekül iki mutant Shewanella bakterisindeki kritik proteinleri taklit edebilecek türdedir. Buradaki amaç DSFO+’nın elektron transferini hücredeki proteinlere benzer şekilde yapıp yapamayacağını görmekti.
Bilim insanları DSFO+’nın organizmadaki etkisini değerlendirirken, bu molekül hem organizmanın elektrik üretme kapasitesini arttırıyordu hem de mutant bakteride elektrik üretimiyle ilgili olan proteinlerin yerine fonksiyonel olarak geçiyordu. Yapılan bu işlem, mikrobiyal sistemin gelişmesiyle sonuçlanmış oldu. Böylece gelecekte organizmalar, elektrik üretimi aracılığıyla atıksu arıtımında kullanılabilir. Proteinin yerine geçen bu molekül de, hücre zarının yüzeyinde solunum sırasında elektron taşınmasını kolaylaştırdı. Böylece bakteri metabolizması geliştirilmiş oldu. Araştırma grubunun yaptığı açıklamaya göre, bakterinin doğal sürecine yardım etmek için bir kimyasal ajan eklediler.

Genetik mühendisliği yöntemleri yerine organizmanın bir kimyasal ajan ile modifiye edilmesinin nedeni, genetik olarak değiştirilmiş bakterilerin laboratuvar ortamından dışarı çıkma ve doğal dengeyi bozma riskinin diğer genetiği değiştirilmiş organizmalara göre daha fazla olmasıdır.
Bu yeni yöntem, bakterileri kimyasal olarak modifiye eder ve bakteri çoğalırken sentetik molekülün oranı seyrelir. Bunun sonucunda, molekül seyreldikçe sistem orijinal haline geri döner. Bu da mikroorganizmaları atıksu arıtımında kullanmak için genetik olarak modifiye edilmiş türlere göre daha uygun hale getirir. Bu çalışmanın önemi ise, bakterideki elektriksel reaksiyonların varlığının keşfedilmesidir.

Bir araştırma grubu bu bakterileri doğrudan elektrotlarda çoğalttı ve elektrikle canlı tuttu. Araştırmacılar bu bakterileri elde ederken, deniz yatağından bakteri içeren çökelti topladı ve laboratuvarda çökeltiye elektrot yerleştirdi. Bu deneyde, çökeltideki canlıların yüksek voltajdaki elektrottan elektron aldığı ve elektrik akımı ürettiği tespit edilmiştir. Bu keşifle, NASA’da ilgilenmektedir. Çünkü bu organizmalar çok az enerjiyle hayatta kalabilirler ve bu özellikleriyle güneş sisteminin diğer kısımlarında ortaya çıkabilecek yaşam şekilleri için bir model olabilirler.

Elektrik üreten bakteriler tüm şekillerde ve büyüklüklerde olabilir. Birkaç yıl önce biyologlar, kablolar gibi davranan saç benzeri filamentler üreten bakteriler keşfetti. Bu filamentlerin, hücrelere elektron taşıdığı görüldü. Bu yeteneği kullanarak, değişik türde bakterilerin elektrik üretmesi sağlanabilir. Fakat bu bakteriler büyük olasılıkla, büyük bir cihaz için gereken elektriği üretemeyecektir ama atıksu arıtımı için gereken elektriği üretebilirler.

Bakteriyal Piller

Elektrik üreten bakteriler; çamur, atıksu ya da atık içerisindeyken elektrik üretilme yeteneğine sahiptir. Mikrobik yakıt hücresi (MFC) ile bu elektrik bakteriden alınabilir. MFC anot ve katot olmak üzere iki elektrottan yapılmıştır ve elektriksel olarak bağlantılıdır. Bu sistem içerisinde, bakteri elektronları tüketir ve normal metabolizmasının bir parçası olarak elektriği üretir. Ürettiği elektriği anota aktarır. Bu elektronlar, elektriksel akım olarak toplanabilir ve sonra katoda geçerek elektriksel devreyi tamamlar. Böylece bir çeşit pil oluştururlar. Bu sürecin fonksiyonel bir mikrobiyal yakıt hücresine dönüştürülmesi, hücrenin çamur, su, atıksu ya da atıkla doldurulması ve bakterinin büyümesini beklemek kadar basittir.

Bakteri, elektronları anoda transfer ederek elektrik üretebilir. Bunun için herhangi bir aracı gerekmez. Bunu yapabilmeleri için bazı eşsiz yapılara ihtiyaçları vardır. Bunun için, filament üretirler ve bu filamentler metallerin yaptığı gibi elektronları doğrudan transfer eder. Önceki yıllarda bilim insanları, biyolojik sistemlerin metal gibi davranmasının imkansız olduğunu düşünmüşlerdi. Fakat bu filamentler, nanokablolar gibi işlev görebilirler.

MFC uygulamaları, düşük güç nedeniyle oldukça sınırlıdır. Günümüzde, MFC için ABD’deki en pratik uygulama 16 kilo ağırlığında ve yılda 16D-Cell piline eşit enerji üretir. Fakat MFC’nin elektrik üretmesi onun en önemli işlevi değil. Çünkü MFC organik atıkları elektriğe dönüştürebilir. Bu da biyolojik arıtma için kullanılır. MFC sadece ışık yakabilecek güçte elektrik üretebilir ama toksik kimyasallardan arınmış bir toprak, bundan daha değerlidir.

MFC ayrıca organik bileşenler üretmek için de kullanılabilir. Bu sürece mikrobiyal elektrosentez denir. 1 yıldan kısa bir süre önce keşfedilmiştir. Mikrobiyal elektrosentezin büyük avantajı, bakterinin elektriği ve karbondioksiti tüketerek atık olarak organik bileşenler üretmesidir. Bu organik bileşenler bütanol (petrolün yerine kullanılır) ya da şeker olabilir. Diğer bir deyişle, bakteri biyoyakıt üretebilir.

Biyoenerjinin ilk kaynağı, organik atıktan metanolün üretilmesidir. Bu süreçte bakteri organik atıkları tüketir ve metan üretmek için kullanır. Metan da, ısıtma, elektrik üretimi ve gaz motorlarına enerji vermek için kullanılabilir. Bakterinin metan üretirken, elektrik transfer ettiği gözlemlenmiştir.

Bakterilerin enerji çevrimindeki rolü daha ayrıntılı olarak araştırıldıkça, gelecekte biyoyakıtlar ve atıksu arıtımı gibi alanlarda bakteriler aktif olarak kullanılabilir. Böylece gelecekte, şu ana kadar yararlanamadığımız enerji kaynaklarından fayda sağlayabiliriz.

Kaynakça:
1) https://www.futurity.org/shewanella-electricity-1356872-2/
2) https://www.newscientist.com/article/dn25894-meet-the-electric-life-forms-that-live-on-pure-energy/
3) https://theconversation.com/mud-power-how-bacteria-can-turn-waste-into-electricity-3677

Yazar: Ayça Olcay

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here