بكتيريا تولد الكهرباء: التقنيات الحيوية في إنتاج الطاقة

مقدمة: أدى التقدم في علم الأحياء الدقيقة إلى تطورات كبيرة في عدد من الصناعات مثل الألبان، المضادات الحيوية، الفيتامينات، واللقاحات. ومؤخرًا، توسع هذا المجال ليشمل استخدام الكائنات الدقيقة في إنتاج الطاقة الحيوية، بما فيها الكهرباء، من خلال تقنيات بيولوجية متقدمة

البكتيريا المولدة للكهرباء

بعض أنواع البكتيريا قادرة على إنتاج الكهرباء من خلال إفراز الإلكترونات إلى الوسط الخارجي أثناء عملياتها الأيضية، خصوصًا في البيئات اللاهوائية. من أبرز هذه الأنواع:

1-Shewanella spp.

2-Geobacter spp.

وتوجد أنواع أخرى واعدة مثل:

1-Lactococcus spp (بكتيريا بروبيوتيك مستخدمة في الغذاء).

2-Listeria monocytogenes

(رغم كونها مسببة للمرض، إلا أنها درست من الناحية الكهربائية).

آلية إنتاج الكهرباء من البكتيريا

تعتمد البكتيريا على نوعين من الأيض لإنتاج الطاقة:

أيض ضوئي. (Phototrophic) باستخدام الضوء كمصدر للطاقة -1

أيض كيميائي. (Chemotrophic) 2- خلال أكسدة المركبات العضوية أو غير العضوية

في البكتيريا الكهربائية، تتولد الإلكترونات خلال عمليات الأيض، ويتم نقلها عبر مكونات السلسلة التنفسية إلى مستقبلات إلكترونية خارج الخلية (مثل الأكسجين أو النترات)، وهو ما يخلق فرق جهد كهربائي يمكن استغلاله.

البكتيريا الزرقاء ودورها في البيئة والطاقة

تعد البكتيريا الزرقاء (Cyanobacteria) مهمة جدًا، حيث تقوم بعملية التخليق الضوئي وتنتج الأكسجين. تستخدم هذه البكتيريا بنيات خاصة مثل "فيسوبيليسوم" لامتصاص الضوء وتحويله إلى طاقة كيميائية، ما يجعلها جزءًا حيويًا من دورة الكربون والطاقة.

بدائل الأكسجين في التنفس اللاهوائي : في البيئات التي لا يتوفر فيها الأكسجين، تستخدم بعض البكتيريا بدائل كمستقبلات إلكترونية مثل:

النترات

الفومارات

الكبريتات

ثاني أكسيد الكربون

تنقسم مسارات إنتاج الطاقة إلى:   وATP يختلف إنتاج طاقة  باختلاف المستقبل النهائي المستخدم

الفسفرة التأكسدية: كما في التنفس الهوائي واللاهوائي. -

 الفسفرة على مستوى الركيزة: كما في التخمر، حيث تُنتج الطاقة مباشرة من تفاعلات كيميائية-

و التخليق الحيوي للمركبات الخلوية.

تستخدم الخلايا الطاقة المنتَجة في بناء مكوناتها الحيوية، مثل:

الأحماض النووية (DNA, RNA)

البروتينات

السكريات

الدهون

الهياكل الخلوية (الجدار الخلوي، الأسواط، إلخ)

وتبدأ هذه العمليات من مركبات وسطية أساسية مثل:

Glucose-6-phosphate

Oxaloacetate

α-Ketoglutarate

وتخضع المسارات التخليقية لتنظيم محكم لتحقيق التوازن في النمو والبقاء.

خاتمة

يمثل استغلال البكتيريا في إنتاج الكهرباء مجالًا واعدًا يجمع بين علم الأحياء الدقيقة والطاقة المستدامة. من خلال فهم العمليات الأيضية لهذه الكائنات، يمكن تطوير تقنيات مستقبلية لتوليد الطاقة، تنقية المياه، وتشغيل خلايا وقود حيوية بطرق نظيفة وصديقة للبيئة.