„Přetvoříme svět,“ tvrdí americký biolog Bruce Rittmann. Kromě kolegů z Biodesign Institute při Arizona State University počítá Rittmann i s nespočetnou armádou pomocníků, kteří nejsou viditelní pouhým okem. S bakteriemi.
Z kosmu do odpadu
Původně mířil Bruce Rottmann ve svých plánech hodně vysoko – na oběžnou dráhu kolem Země. Americká vesmírná agentura NASA si u něj objednala vývoj zařízení, které by vyrábělo na palubě raketoplánu a na Mezinárodní kosmické stanici elektřinu z výkalů a dalších organických odpadů. Chtěl k tomu využít bakterie.
Pak přišly škrty v rozpočtu NASA a pramen financí pro „hvězdný“ výzkum vyschl. Rottmann je donucen ke zkoumání v poněkud „přízemnějších“ podmínkách. Je přesvědčen, že může vyrábět elektřinu z odpadu v čističkách odpadních vod. A opět spoléhá na bakterie schopné získávat z organické sloučeniny velké množství volných elektronů.
Podle optimistických předpovědí by mohly do pěti let bakterie vyrábět v čističkách odpadních vod elektřinu, která by se využívala k chodu čistírny. Další uplatnění bakterií v roli baterií nebude tak jednoduché. Pro ekonomickou rentabilitu je nutné, aby bakterie mnohonásobně zvýšily účinnost při výrobě elektrické energie. Podle některých odhadů bezmála desetkrát, podle jiných dokonce pětadvacetkrát.
Bakteriálním bateriím vyrůstají velmi rychle zdatní konkurenti. Vědci vyvíjejí pět či deset principiálně zcela nových zdrojů elektrické energie a některé se zdají ve výrobně elektřiny až tisíckrát účinnější než baterie z bakterií. Přesto vědci nad bakteriemi nelámou hůl.
„Nejde jen o to, že bakterie mohou vyrábět elektřinu,“ vysvětluje Korneel Rabaey z University of Queensland v australském Brisbane. „Bakterie mohou zpracovávat odpady ze zemědělské i průmyslové výroby stejně jako odpady z domácností. Je to typ paliva, které nemá jiné využití.“
Hra s elektrony
Bakterie se živí rozkladem organických sloučenin. Přitom z nich odebírají elektrony a využívají je k syntéze molekul adenosintrifosfátu, jež je velmi bohatá na energii. Použitých elektronů se musí bakterie zbavit. Obvykle si poradí tak, že je naváže na látky, které se nacházejí v životním prostředí, například na atomy síry nebo železa.
Pokud chceme využít bakterie k výrobě elektřiny, musíme jim nabídnout jiné odkladiště pro použité elektrony. Bakteriální „elektrárna“ je obvykle uspořádána tak, že bakterie žijí buď přímo na elektrodě (anodě) nebo v její těsné blízkosti. Ta je obvykle vyrobena z tuhy. V okolí elektrody mají bakterie k dispozici prakticky neomezené množství organických sloučenin. Anoda zachytí elektrony uvolňované bakteriemi a ty jsou odtud vedeny k druhé elektrodě – katodě. Na své pouti od jedné elektrody ke druhé můžou elektrony vykonávat práci a pohánět nějaké zařízení. Když elektrony dospějí na katodu, sloučí se s protony a atomy kyslíku na vodu.
Zpočátku byly elektrické proudy vytvářené bakteriemi mezi oběma elektrodami prakticky zanedbatelné. Další problém spočíval v předávání elektronů od bakterií na anodu. Vědci byli přesvědčeni, že to lze zajistit jen s pomocí speciálních chemických „převodníků“ – látek, které se vloží mezi anodu a povlak bakterií. Látky používané pro tyto účely byly drahé a navíc toxické. Pro praktické uplatnění se nehodily.
Korejská revoluce
V roce 1999 zjistili jihokorejští vědci, že se odjedou bez chemických „převodníků“. Použili bakterii druhu Shewanella oneidensis objevenou krátce předtím v bahně rýžovišť. Ta umí předat elektrony iontům železa přímo. Bakteriální baterie se tím výrazně zjednodušily a zlevnily. Záhy se ukázalo, že se bez chemického „převodníku“ obejdou i další druhy bakterií. Například Geobacter sulfurreducens se ukázal jako hotový matador. Porůstá v povlacích elektrody a předává jim velké množství elektronů, které vznikají kompletním rozkladem kyseliny octové čerpané z okolí. Pro odvádění elektronů používá zvláštní vodivá vlákna, která sám syntetizuje.
První prakticky využitelný elektrický článek využívající bakterie byl zkonstruován v USA na Oregon State University. Vědci jej používají k napájení přístrojů na odlehlých lokalitách, v jezerech a řekách. Anoda je zanořena do bahna na dně. Bakterie, které ji porostou, předávají elektrodě své elektrony a ty jsou vedené ke katodě, jež je umístěna v dobře prokysličené vodě blízko u hladiny. Zařízení vyrábí zhruba jeden watt elektrické energie. Pro napájení tlakoměrů, teploměrů a dalších instrumentů to bohatě stačí. Velkou výhodou bakteriálních elektrických článků je, že nepotřebují dlouhodobě žádnou údržbu a jsou spolehlivé. Vědci už pracují na mořské verzi, kterou chtějí odzkoušet ve vodách Mexického zálivu pro napájení přístrojů zaznamenávajících sílu mořských proudů.
V půli cesty do praxe
Největší budoucnost věští odborníci bakteriální elektřině v čističkách odpadních vod. Tam by se s jejich nasazením zabily dvě mouchy jednou ranou. Bakterie by vyráběly elektřinu a tím by snižovaly náklady nutné na provoz čistíren. Zároveň by bakterie rozkládaly organické látky v odpadních vodách a přispívaly by tak k jejich čištění.
Úspory ve spotřebě elektrické energie by nebyly zanedbatelné. V USA padá na vrub chodu čistíren odpadních vod asi 1,5% veškeré vyrobené elektrické energie. První bakteriální elektrické články by mohly začít fungovat v čistírnách odpadních vod během pěti let. Aby se bakteriální elektrické články začaly vyplácet, musejí vyrábět na jeden metr čtvereční anody aspoň jeden watt elektrické energie. Zatím se daří v experimentálních podmínkách produkovat bezmála půl wattu.
Někteří odborníci ale považují za ekonomicky rentabilní teprve produkci 50 wattů na metr čtvereční anody. Tyto kalkulace započítávají do nákladů nejen provoz bakteriálních elektrických článků, ale i jejich výrobu. I z toho je jasné, že vývoj článků pro čistírny odpadních vod bude ještě složitý a drahý.
„Výroba elektřiny z odpadních vod je úplně něco jiného máčení několika elektrod v laboratorních reaktorech,“ říká Bruce Rittmann. „To bude vyžadovat zcela nový design bakteriálních elektrických článků.“
Nesázejte proti nim!
Cest, jak zvýšit výkon bakteriálních baterií, se nabízí hned celá řada. První z nich spočívá v lepší konstrukci elektrických článků. Vědci experimentují s různým umístěním elektrod, s nuceným oběhem tekutin od anody ke katodě. Důležitá je i kombinace živin pro bakterie a materiálové složení elektrod. Jako velmi nadějné se jeví elektrody z porézních materiálů, protože jejich povrch je mnohonásobně větší než u elektrod z kompaktních materiálů.
Některé problémy by mohla vyřešit samotná příroda. Společenstva bakterií jsou druhově velice pestrá a reagují složením druhů na aktuální podmínky. Ukazuje se, že samotná přítomnost funkční elektrody může bakteriální komunitou pořádně zamávat. Anoda představuje zdaleka nejlepšího příjemce elektronů. Bakterie, které jí dokážou využívat k odstraňování nadbytečných elektronů, se dostávají do velké výhody. Díky „spolupráci“ s anodou mohou vyrábět mnohem více energie uložené v adenosintrifosfátu. Když vědci nechali elektrody v životním prostředí bakterií deset týdnů, zvýšila se produkce elektrické energie na sedminásobek počátečních hodnot. Zčásti se za tímto nárůstem skrývá množení bakterií, které jsou s to nabídku anody využít. Zčásti padá zvýšení produkce elektrické energie i na vrub změny v aktivitě jednotlivých druhů bakterií, které se životu na anodě lépe přizpůsobí.
A budoucnost bakteriálních elektrických článků?
„Každý, kdo si vsadí proti nim, udělá velkou chybu,“ tvrdí jeden z průkopníků tohoto oboru americký mikrobiolog Derek Lovley z University of Massachusetts v Amherstu.
Michael Potter – zakladatel
V roce 1910 vsunul profesor botaniky Michael Potter ve své laboratoři na University of Durham jednu elektrodu do láhve s množícími se kvasinkami. Druhou elektrodu ponořil do láhve s živným roztokem bez kvasinek. Mezi oběma elektrodami naměřil slabý elektrický proud. Objev ho zaskočil. Nechápal, jak kvasinky něco takového vůbec zvládnou. Přesto je dnes pokládán za zakladatele oboru, který se v poslední době prudce rozvíjí a slibuje zapřáhnout mikroby do výroby elektřiny z odpadů. Otevření těchto perspektiv předcházela tvrdá laboratorní práce. Trvalo více než 50 let, než vědci vůbec pochopili, jak mohou mikroorganismy elektřinu vyrábět.
Zvláštní elektrochemická posedlost bakterií
Bakterie patří k nejstarším a nejlepším elektrochemikům na této planetě. Jejich posedlost chemickými reakcemi, při kterých se přehazují elektrony z jedněch sloučenin na druhé – tzv. oxidačně redukční reakce – je ale záhada. Proč nevyužívají jako zdroj energie teplo nebo mechanické síly?
Mnoho bakterií žije ve vroucích pramenech a podle některých teorií v takových pramenech dokonce vznikl pozemský život. Zatím jsme však neobjevili bakterii, která by čerpala energii přímo z teplotního rozdílu ve sloupu vroucí vody a jejího chladného okolí. Zdá se, že by jí k tomu stačilo jen málo – buněčná struktura, jež by dosáhla z horké vody do studené.
Stejně nepochopitelné se zdá, že bakterie nechávají ležet ladem energii proudící vody. Mnohé bakterie se pohybují pomocí jakýchsi bičíků, které pohání molekulární „motor“ v nitru buňky napájený energií z chemických reakcí. Proč bakterie celý postup neotočí? Vodní proud by mohl pohybovat bičíkem vně buňky a pohyb by mohl být převáděn na energii uvnitř bakterie. Nic takového ale příroda „nevynalezla“.
Pradávný předek všech dnešních bakterií musel zakládat svůj život na chemických oxidačně redukčních reakcích. Důvod je nejasný. Jsou oxidačně redukční reakce objektivně nejlepším zdrojem energie a nebo je to jen výsledek pouhé náhody? Odpověď by nám mohl nabídnout pohled na mimozemské formy života.
