Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ sáu, 25/08/2006 16:51 (GMT+7)

Tế bào năng lượng vi sinh vật

Câu trả lời của những vấn đề hóc búa trên là một công nghệ đã từng ra đời vào năm 1962, 1963 (Sisler, Konikoff, Reynold, Harris) nhưng bị "ngủ quên"cho đến những năm gần đây, khi nhu cầu năng lượng trở nên bức thiết hơn bao giờ hết.

Ứng dụng tế bào năng lượng vi sinh vật xử lý chất thải - Một công đôi chuyện

"Quá trình phân rã các hợp chất hữu cơ trong tế bào vi sinh vật luôn đi kèm với sự phóng thích năng lượng điện tử".M.C.Porter (1911)

Từ năm 1911 Porter đã khẳng định dòng electron luôn tồn tại với quá trình chuyển hóa trong cơ thể sinh vật sống, là nền tảng để 50 năm sau Sisler là người đầu tiên phát hiện ra có sự xuất hiện dòng điện khi cho vi sinh vật phát triển trên điện cực dương (anode) graphite. Lúc đó, do dòng điện thu được là quá nhỏ đồng thời các nhà tiên phong sử dụng dòng vào (input fuel) là môi trường nuôi cấy, khiến cho dòng điện này trở nên đắt và khó ứng dụng. Đó chính là lý do mà phát hiện lý thú này sớm chìm vào quên lãng và các cơ chế phóng thích electron của vi sinh vật vào anode cũng chưa được chú ý dù con người đã thuộc nằm lòng các chuỗi chuyển hóa trong tế bào... Chỉ trong những năm gần đây, khi tình hình nhiên liệu hóa thạch bắt đầu "nóng", người ta lại nhận thấy sự bất tận của nguồn điện vi sinh vật và tính thực tiễn của nó, nhiều nhà khoa học bắt đầu tập trung nghiên cứu, chiếm lĩnh nguồn năng lượng đã từng "ngủ quên" này.

Một số nguyên tắc chính:

Nguyên tắc chính của tế bào năng lượng vi sinh vật (microbial fuel cells) là dòng electron được chuyển gián tiếp thông qua sự tương tác giữa sản phẩm khử với điện cực dương. Sự tách biệt về mặt không gian của phản ứng nhận electron cuối tạo ra chênh lệch về suất điện động và xuất hiện dòng electron chạy qua khi ta dùng dây dẫn nối 2 điện cực lại.

Có 3 loại tế bào năng lượng vi sinh vật chính:

+ Loại A: Các chất dẫn electron trung gian có sẵn trong môi trường.

+ Loại B: Các loại vi sinh vật có hệ protein màng đặc biệt, có khả năng chuyển electron trực tiếp lên điện cực.

+ Loại C: Điện cực bị vi sinh vật oxy hóa để tạo ra nguồn electron.


Một số hệ thống tiêu biểu:


+ Hệ thống của Peter Benetto (London) sử dụng hệ enzyme biến đổi cơ chất ngoại bào ở nấm men: khó có khả năng ứng dụng quy mô lớn vì cơ chất bắt buộc là xanh Methylene.


+ Năm 2004, trường đại học Pennsynvania chế tạo thành công hệ thống thu năng lượng từ vi khuẩn với cấu trúc theo kiểu bioreactor với 1 khoang duy nhất,dòng nhiên liệu vào được nhập liên tục. Theo cải tiến này, nếu sử dụng dòng vào là nước thải thì ngoài điện năng thu được, nồng độ chất hữu cơ hòa tan giảm đáng kể. Chỉ tiêu DO của nước luôn ổn định do không khí được khuếch tán liên tục, cung cấp Oxy cho phản ứng tại Catot.


proton + oxy --> nước.



Bruce Logan, cha đẻ của mẫu thiết kế trên cho biết khó khăn hiện tại trong việc ứng dụng tế bào năng lượng vi sinh vật là nguồn năng lượng tạo ra còn quá nhỏ, đồng thời không thể dùng Platinium làmđiện cực cho các hệ thống lớn. Tuy nhiên theo nhận định của ông, tế bào năng lượng vi sinh vật vẫn là xu thế của tương lai với giá thành rẻ tương đương với liệu pháp thực vật trong xử lý nướcthải.

+ Hệ thống sử dụng khả năng truyền electron trực tiếp vào điện cực của vi khuẩn nhóm vi khuẩn đất Geobacteraceae của NASA với hiệu điện thế thực là 0.5 Volt, nhờ hệ thống khuyếch đại đi kèm, nhómnghiên cứu của tiến sĩ Bruce Brittmann tăng hiệu điện thế này lên được 2 Volt. Hiện NASA đã ứng dụng hệ thống này để giải quyết vấn đề chất thải sinh hoạt của các phi hành đoàn .

Khám phá về quá trình chuyển điện tử lên điện cực :

Để giải thích sự khác biệt về khả năng phóng điện cũng như hiệu suất phóng điện giữa các loài vi sinh vật, người ta đã đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau như diện tích tiếp xúc quá nhỏ giữa ETP(electron transport protein) và điện cực, hay nhiều loài vi khuẩn (như E. coli, Pseudomonas, Proteus, Bacillus...) không có khả năng chuyển electron trong các phản ứng nội bào ra bên ngoài...

Ở những nghiên cứu đầu tiên về tế bào năng lượng vi sinh vật, người ta giả thuyết quá trình phóng điện xảy ra nhờ electron transport protein trên màng.

Phát hiện gần đây nhất trên tế bào năng lượng là cơ chế chuyển điện tử từ chất cho điện tử cuối đến chất nhận điện tử cuối - một phức hệ đưa electron ra ngoài tế bào thay vì như chúng ta từng biết,toàn bộ các phản ứng diễn ra bên trong tế bào, trên màng hay không gian chu chất.


Nghiên cứu cho thấy quá trình khử sắt của vi khuẩn Geobacter sulfurreducens diễn ra trên pili của vi khuẩn với các nguyên tử Fe(III) bám trên đầu pili. Bản thân tế bào và đầu pili đã giống một cặp điện cực, chính vì vậy mà người ta nhận thấy quá trình chuyển điện tử ở Geobacteraceae hiệu quả hơn nhiều so với các loại vi khuẩn khác.

Ngoài Geobacter, một số loại vi khuẩn có tiềm năng khác trong lĩnh vực này là Rhodoferax ferrireducens, Shewanella putrefaciens, Aeromonas hydrophila, Desulfomonas sp... trong đó vi khuẩn Geobacter sulfurreducens và Shewanella putrefaciens nổi lên đặc biệt bởi khả năng sử dụng nguồn cơ chất đa dạng, thích hợp nhất trong việc sản xuất điện từ chất thải.

Kết quả của nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature 2006 là một phát hiện quan trọng về cơ chế chuyển electron, nó hiện thực hóa khả năng cải tiến để ứng dụng tế bào năng lượng vi sinh vật vào thực tế. Tuy vậy một vấn đề khác cũng được đánh giá cao ở đây chính là môi trường nghiên cứu, công cụ mô hình cho nghiên cứu dòng điện ở vi khuẩn.


Tài liệu tham khảo:


[1] Derek R. Lovrey. Bug juice: harvesting electricity with microorganisms. Nature Rev. 4, 497-508 (July 2006)

[2] Article: NASA-supported researchers are working to develop a fuel cell that can extract electricity from human waste.

[3] Fuel-cell Microbes" Double Duty: Treat Water, Make Energy. Science daily.(2004)

[4] Bacteria Convert Food Processing Waste To Hydrogen. Science daily. (2003)

[5] Mario Jardon. Microbial fuel cells from Rhodoferax ferrireducens (2003)

Nguồn: khoahoc.com.vn 15/7/2006

Xem Thêm

Phát triển nhân lực trẻ cho các lĩnh vực công nghệ chiến lược
Bộ Khoa học và Công nghệ được giao nghiên cứu, đề xuất cơ chế, chính sách phát triển nhân lực trẻ chất lượng cao trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, trí tuệ nhân tạo, hàng không vũ trụ và năng lượng nguyên tử, với thời hạn hoàn thành trong quý IV/2026.
Thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức
Sáng ngày 28/7, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã phối hợp với Viện Khoa học và Quản lý kinh tế (IESEM) tổ chức hội thảo "Thực trạng và giải pháp thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0".
Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.

Tin mới

Cải cách hành chính và chuyển đổi số ở cơ sở cần thực chất hơn
Năm 2026, khi mô hình chính quyền địa phương hai cấp đi vào vận hành, cải cách hành chính và chuyển đổi số đặt ra yêu cầu cao với chính quyền cơ sở. Qua khảo sát tại phường Tuy Hòa, Cư Bao, xã Sơn Hòa, Sông Hinh, Ea Na và Yang Mao, Hội đồng tư vấn Dân chủ – Pháp luật thuộc Ủy ban MTTQ Việt Nam tỉnh Đắk Lắk ghi nhận nỗ lực của địa phương và những vấn đề cần tháo gỡ để nâng cao chất lượng phục vụ.
Tôn vinh tinh hoa đạo học, tiếp nối mạch nguồn hiền tài dân tộc
Từ ngày 5 - 15/11, thành phố Hà Nội tổ chức chuỗi hoạt động kỷ niệm 950 năm thành lập Quốc Tử Giám (1076–2026), với nhiều chương trình văn hóa, nghệ thuật, triển lãm, trải nghiệm di sản và hội thảo khoa học. Đây là dịp tôn vinh những giá trị bền vững của nền Quốc học Việt Nam, khơi dậy truyền thống hiếu học, tôn sư trọng đạo và tinh thần trọng dụng hiền tài.
Đắk Lắk: Phản biện hồ sơ Dự án nhà máy điện gió, điện mặt trời
Sáng 29/10, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh đã tổ chức Hội đồng góp ý, phản biện xã hội và phản biện khoa học đối với hồ sơ đề nghị chấp thuận chủ trương đầu tư Dự án Nhà máy điện gió E&M Đắk Lắk tại xã Ea Knốp và xã Cư Prao; Dự án Nhà máy điện mặt trời Jang Pông 2 tại xã Ea Wer.
Góp ý Luật luật An toàn, vệ sinh lao động: Lấy bảo vệ con người và quản trị rủi ro làm trung tâm
Ngày 30/10/2026, tại Hà Nội, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp Hội Khoa học Kỹ thuật An toàn Vệ sinh Lao động Việt Nam (VOSHA) tổ chức Hội thảo "Góp ý dự thảo Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật An toàn, vệ sinh lao động". Hội thảo do PGS.TS Phạm Ngọc Linh, Phó Chủ tịch VUSTA và GS.TS Lê Vân Trình, Chủ tịch VOSHA đồng chủ trì.
VUSTA công bố các quyết định điều động, bổ nhiệm cán bộ chủ chốt
Ngày 30/10/2026, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã trang trọng tổ chức Hội nghị công bố các quyết định quan trọng về công tác cán bộ. Lãnh đạo VUSTA đã trao quyết định nghỉ hưu hưởng chế độ cho 02 cán bộ, chuyên viên, đồng thời trao các quyết định điều động, bổ nhiệm cán bộ chủ chốt nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển trong giai đoạn mới.
Liên hiệp Hội Việt Nam hưởng ứng tháng “Vì người nghèo”
Sáng 27/10, tại Hội trường xã Quốc Oai, Khối thi đua các tổ chức thuộc lĩnh vực Khoa học - Kinh tế - Pháp luật - Giáo dục - Đối ngoại thuộc Ủy ban Trung ương Mặt trận Tổ quốc Việt Nam phối hợp với Ủy ban MTTQ Việt Nam thành phố Hà Nội, Hội Luật gia thành phố Hà Nội và xã Quốc Oai tổ chức Hội nghị “Nghe dân nói, nói dân nghe” và thực hiện Tháng cao điểm vì người nghèo 2026.
Thủ tướng mong muốn đối tác quốc tế không chỉ đầu tư, sản xuất tại Việt Nam mà cùng kiến tạo chuỗi giá trị mới
Phát biểu tại Diễn đàn Kinh tế mùa Thu 2026, Thủ tướng Lê Minh Hưng khẳng định Việt Nam mong muốn các đối tác quốc tế không chỉ đầu tư, sản xuất tại Việt Nam mà cùng nghiên cứu, phát triển công nghệ, đổi mới sáng tạo và kiến tạo những chuỗi giá trị mới.
Tạo động lực tăng trưởng xanh từ khoa học, công nghệ
Chính phủ Việt Nam nhiều lần khẳng định quan điểm "không đánh đổi môi trường lấy tăng trưởng kinh tế". Trong bối cảnh đó, việc giải quyết hài hòa mối quan hệ giữa yêu cầu tăng trưởng nhanh và bảo vệ môi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu thông qua các giải pháp khoa học, công nghệ đang trở thành yêu cầu cấp thiết hiện nay.
Hội nghị Đoàn Chủ tịch Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam lần thứ nhất (khóa IX)
Chiều 28/10, tại Hà Nội, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam tổ chức Hội nghị Đoàn Chủ tịch lần thứ nhất (khóa IX), nhiệm kỳ 2026 - 2031. Hội nghị tập trung thảo luận, đóng góp ý kiến vào các dự thảo văn bản nền tảng quan trọng, đánh giá kết quả hoạt động từ sau Đại hội IX, đồng thời đề ra nhiệm vụ trọng tâm đến cuối năm 2026.
Hội nghị BCH Đảng bộ Liên hiệp Hội Việt Nam tháng 10/2026: Tập trung lãnh đạo, chỉ đạo triển khai các nhiệm vụ trọng tâm
Sáng 28/10, tại Hà Nội, Đảng ủy Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Liên hiệp Hội Việt Nam) tổ chức Hội nghị Ban Chấp hành Đảng bộ nhằm đánh giá kết quả công tác tháng 10, xác định nhiệm vụ trọng tâm tháng 11/2026 và triển khai một số nội dung quan trọng liên quan đến công tác xây dựng Đảng.