Skor längtar ut: Mikroorganismer för elproduktion

Ett väldigt spännande forskningsfält som det mig veterligen inte bedrivs någon forskning kring i Sverige och som det har rapporterats mycket lite om i svenska medier är användandet av mikroorganismer som katalysatorer för att producera elström i så kallade ”Microbial Fuel Cells” (MFC) dvs. mikrobiella bränsleceller.

Föreställ dig att du hade en apparat som du kunde hälla avloppsvatten i ena änden på och få ut koldioxid, vatten och elström i den andra änden. Låter det magiskt? Det är det inte – det är fullt möjligt!

Principen är att man kopplar samman två behållare med hjälp av elektroder och ett katjonutbytesmembran – dvs. i grundutförandet liknar det en konventionell bränslecell som kan drivas med t.ex. vätgas. Fördelen med den mikrobiella bränslecellen är att man kan köra systemet på socker eller stärkelse, eller åtminstone i teorin på än komplexare saker som avloppsvatten eller olika typer av organiska restprodukter.

I behållaren som innehåller anoden har man bakterier som man matar med sitt ”bränsle”. Bakterierna bryter ned bränslet – och här kommer det fina med kråksången – man tillsätter inte någon terminal elektronacceptor utan låter bakterierna lämpa över sina elektroner på anoden istället. I processen uppstår vätejoner (H⁺) som kan vandra fritt över membranet. I katodkammaren har man däremot fri tillgång på en elektronacceptor, vanligtvis syre – vilket medför att elektronerna vandrar dit, förenas med ett syre och två väten och bildar vatten.

Men vänta här nu – frågar sig den biologiskt oskolade – vad fanken är en terminal elektronacceptor för något?

– Jo, de organismer som får sin energi genom att bryta ned organiskt material, som t.ex. människor eller de nedbrytande bakterier som finns i bränslecellen – använder sig av så kallade elektrontransportkedjor för att konvertera den energi de får ifrån födan till molekylen ATP.

I princip kan man säga att de slussar elektroner från en elektrondonator (dvs. maten) från det ena enzymet till det andra – elektronernas hoppande används i sin tur för att pumpa ut vätejoner ur cellen – koncentrationsskillnaden som uppstår gör att vätejonerna drivs att diffundera tillbaka in i cellen igen och denna kraft används för att producera ATP.

Men för att det hela ska fungera så krävs det att de hoppande elektronerna landar någonstans i slutändan – och det de landar på är alltså den terminala elektronacceptorn. För människor är det alltid syre – det är därför vi andas – tänk på det nästa gång du tar ett andetag – men en del bakterier kan vara betydligt mer flexibla med sitt val av elektronacceptor. Om syre saknas kan de t.ex. respirera nitrat, vilket utnyttjas vid kväverening (där nitrat reduceras till kvävgas), järn, vilket är anledningen till att blålera är blå (det beror på att rödaktigt Fe³⁺ reduceras till gråblåaktigt Fe²⁺ där syre saknas), mangan, eller något annat som erbjuder en tillräckligt positiv redoxpotential.

En del bakterier måste inte heller ha sina terminala elektronacceptorer inne i cellen utan klarar av att växa på fasta ytor och reducera dessa. Dessa egenskaper uttnyttjas i den mikrobiella bränslecellen där bakterierna nekas tillgång på syre utan istället tvingas avge sina elektroner till anoden. Anoden kan bestå av olika material men består oftast av någon form av kol/grafitmaterial – det är alltså lite grann som om du tvingades andas genom en kolbit.

En mikrobiell bränslecell kan teoretiskt alstra upp emot 1,1 V men än så länge uppnår man som bäst 0,6 V när man använder cellen för att generera ström. Det är dock möjligt att seriekoppla cellerna för att få upp spänningen. Många praktiska problem återstår också att lösa innan det går att tillverka en tillräckligt effektiv och tillförlitlig produkt av det hela.

Det finns flera potentiella tillämpningar för MFC:er – en uppenbar användning skulle kunna vara att testa ett sådant system vid ett reningsverk. En annan spännande applikation skulle vara att använda havssediment och mikroorganismer som lever däri – här räcker det med att stoppa ned en elektrod i det syrefria sedimentet och att ha en ovanför i det syreberikade havsvattnet för att generera ström (fast det funkar nog inte på de syrefria bottnarna i Östersjön förstås) – detta kan användas till att driva t.ex. mätutrustning på havsbottnen.

En bra webresurs för mikrobiella bränsleceller med många länkar till vetenskapliga artiklar om bränsleceller finns här. En bra översiktsartikel är:

Logan et al., 2006. Microbial fuel cells: methodology and technology (pdf). Environmental Science & Technology 40:5181-5192.

Eller varför inte pröva att göra en själv? (pdf)

Man bör dock ställa bränslecellernas energieffektivitet och praktiskhet mot andra sätt att utnyttja energin i det organiska materialet t.ex. genom mikrobiell rötning för att producera biogas, eller genom etanolproduktion. Ett större forskningsprojekt med sådan inriktning, MicroDrivE, har just startats upp på min institution på SLU. Kanhända kan det också bli aktuellt med bränsleceller hos oss framöver?