どの細胞がどのような種類のエネルギーを変換して電流を流すことができますか?

微生物燃料電池 (MFC) は、特定の細菌の代謝活動を利用して電流を生成する生物電気化学システムです。外来微生物として知られるこれらの細菌は、代謝物から直接電極に電子を伝達する独特の能力を持っています。これらの細菌の基質はさまざまですが、一般的には廃水、農業廃棄物、さらには尿などの有機物が含まれます。

このプロセスは、バクテリアが有機物を消費し、代謝を通じて有機物を分解することから始まります。このプロセス中に、細菌は副産物として電子を放出します。これらの電子は、細菌と接触している MFC のアノードによって捕捉されます。電子は MFC の外部回路を通って移動し、最終的にカソードに受け入れられ、そこで酸素と結合して水を形成します。

全体的な化学反応は次のように単純化できます。

有機物 + バクテリア → 電子 (陽極で捕獲)

電子 (外部回路経由) → 陰極 + 酸素 → 水

この電子の移動の結果として、アノードとカソードの間に電流が発生します。 MFC の電圧と電力出力は、細菌の種類、基質濃度、システムの効率などのさまざまな要因に依存します。

MFC を使用して化学エネルギーを変換して電流を流すことができるセルの例をいくつか示します。

Shewanella oneidensis:この細菌は、その高い外部起電力活性のため、MFC で一般的に使用されます。シュワネラ種はさまざまな有機化合物を利用することができ、水生環境に生息しています。

Geobacter sulfurreducens:もう 1 つのよく知られた外来細菌である Geobacter は、電子を電極に伝達し、酢酸塩や乳酸塩などのさまざまな基質を利用できます。

緑膿菌:緑膿菌の種は、グルコースや酢酸などの有機基質を使用して MFC で発電する能力を示しています。

大腸菌:前述の細菌ほど一般的には使用されていませんが、大腸菌の特定の株は外部起電力性の挙動を示すように操作されています。

これらの細胞は、細胞外電子伝達のプロセスを通じて、有機化合物に蓄えられた化学エネルギーを電気エネルギーに変換する能力で注目に値します。この機能により、バイオエネルギー生産や廃水処理用途の可能性が開かれ、MFC は有機汚染物質を処理しながら同時に発電することができます。