تكون الكهرباء الحيوية

تستخدم ثعابين الماء الرعاشة الصدمات الكهربائية للصيد وللدفاع عن النفس.

تكون الكهرباء الحيوية Bioelectrogenesis هو توليد الكهرباء بواسطة العضيات الحية، الظاهرة التي تنتمي لعلم الفسيولوجيا الكهربائية. في الخلايا الحيوية، قناة الأيون الغشائي والپروتينات الناقلة النشطة كهروكيميائياً، مثل مضخمة الصوديوم-الپوتاسيوم، تجعل توليد الكهرباء ممكناً عن طريق الحفاظ على اختلال الجهد الكهربائي من اختلاف الكمون الكهربائي بين الفراغ داخل وخارج الخلية. تُطلق مضخمة الصوديوم-الپوتاسيوم بشكل متزامن ثلاث أيونات صوديوم خارج الفضاء الخلوي وتطلع أيونين صوديوم داخله. يولد هذا كمون كهربائي تدريجي من فصل الشحنة المتفاوتة المولدة. تستهلك هذه العملية طاقة الأيض في صورة ثلاثي فوسفات الأدنوسين.[1][2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تكون الكهرباء الحيوية في الأسماك

أسماك رعاشة أخرى
أسماك الرعاد
سلور الماء الرعاش
Northern stargazer


عادة ما يشير مصطلح القدرة على توليد الكهرباء في بعض المخلوقات المائية، مثل ثعبان الماء الرعاش، سلور الماء الرعاش، ونوعين من stargazers، أسماك الرعاد وبمقدار أقل في أسماك الشبح الأسود. الأسماك التي تظهر سلوك تكون الكهرباء الحيوية عادة ما تمتلك قدرات استقبال كهربائي (والتي تكون أكثر انتشاراً) كجزء من نظام كهربائي متكامل.[3] قد يوظف تكون الكهرباء الحيوية لتحديد المواقع كهربائياً، الدفاع عن النفس، التواصل الكهربائي وأحياناً صعق الفريسة.[4]


تكون الكهرباء الحيوية في الحياة الميكروبية

تم التعرف على الأمثلة الأولى لتكون الكهرباء الحيوية في الحياة الميكروبية في خميرة البيرة بواسطة م.س. پوتر عام 1911، باستخدام التكرار المبكر لخلية الوقود الميكروبية. وجد أن الحراك الكيميائي في تكسير الكربون مثل التخمير وتحلل الكربون في الخميرة يرتبط بإنتاج الكهرباء.[5]

يقترن تحلل الكربون العضوي أو اللاعضوي بواسطة البكتريا بإطلاق الإلكترونات خارج الخلية تجاه الأقطاب الكهربائية، مما يولد تيارات كهربائية. تُنقل الإلكترونات المطلقة بواسطة الميكروبات عن طريق المصعد في وجود مصدر كربون متاح. يخلق هذا تياراً كهربائياً مع انتقال الإلكترونات من المصعد إلى المهبط المنفصل فيزيائياً.[6][7]

هناك العديد من الآليات لنقل الإلكترونيات خارج الخلية. بعض البكتريا تستخدم الأسلاك النانوية في البيوفيلم لنقل الإلكترونات إلى المصعد. تتكون الأسلاك النانوية من أشعار بكتيرية والتي تعمل كقناة لكي تمر الإلكترونات باتجاه القطب الموجب.[8][9]

وشائع الإلكترون على شكل مركبات نشطة-مؤكسدة-مختزلة مثل الفلاڤين، والتي تعتبر عامل مرافق، تكون أيضاً قادرة على نقل الإلكترونات. تُفرز هذه العوالم المساعدة من الميكروب وتختزل بواسطة الانزيمات المشاركة المؤكسدة-المختزلة مثل سيتكروم سي المضمن على سطح الخلية الميكروبية. بعدها تقوم العوامل المساعدة المؤكسدة-المختزلة بنقل الإلكترونات إلى المصعد وتُؤكسد.[10][11]

في بعض الحالات، تُنقل الإلكترونات بواسطة انزيم الأكسدة-الاختزال نفسه المضمن على غشاء الخلية. يتفاعل السيتوكروم سي على سطح الخلية بشكل مباشر مع المصعد لنقل الإلكترونات.[12][13]

قفز الإلكترون من خلية لأخرى في البيوفيلم تجاه المصعد عبر السيتوكرومات الغشائية الخارجية يعتبر أيضاً إحدى آليات نقل الإلكترون.[14]

البكتريا التي تنقل الإلكترونات في البيئة الخارجية للميكروب تسمى مولدات الإلكترونات الخارجية exoelectrogens.[15]

توجد البكتريا المولدة للإلكترونات الخارجية في جميع البيئات والنظم البيئية. يشمل هذا البيئات ذات الظروف القاسية مثل المنافس الحرمائية والنظم البيئية شديدة الحمضية، بالإضافة للبيئة الطبيعية الشائعة مثل التربة والبحيرات. رُصدت هذه الميكروبات المولدة للإلكترونات الخارجية من خلال التعرف على الميكروبات الكامنة في البيوفيلم النشط كهروميكانيكياً التي تشكل مهابط خلية الوقود الميكروبية مثل عصيات القيح الأزرق Pseudomonas aeruginosa.[16][17]


التطبيقات

في 11 يناير 2019 ابتكر علماء في معهد مساتشوستس للتكنولوجيا تقنية انتقال الإلكترونيات خارج الخلية Extracellular electron transport لانتقاء البكتريا المولدة للكهرباء مثل البكتريا الأرضية. تلك البكتريا تعيش في ظروف قاسية داخل فوهات البراكين أو في أعماق سحيقة بقاع المحيط أو داخل الأمعاء، ولذلك تولِّد إلكترونات لاستخلاص الأكسجين لتتنفسه. العلماء يبحثون استخدام تلك البكتريا وحثها لهضم المواد الملوثة للبيئة.[18]

انظر أيضاً

المصادر

  1. ^ Baptista, V. "Starting Physiology: Bioelectrogenesis." Advances in Physiology Education, vol. 39, no. 4, 2015, pp. 397-404.
  2. ^ Schoffeniels, E., et al. Molecular Basis and Thermodynamics of Bioelectrogenesis. vol. 5, Springer Netherlands, Dordrecht, 1990, doi:10.1007/978-94-009-2143-6.
  3. ^ Bullock, T. H.; Hopkins, C. D.; Ropper, A. N.; Fay, R. R. (2005). From Electrogenesis to Electroreception: An Overview. Springer. ISBN 978-0-387-23192-1.
  4. ^ Castello, M. E.; A. Rodriguez-Cattaneo; P. A. Aguilera; L. Iribarne; A. C. Pereira; A. A. Caputi (2009). "Waveform generation in the weakly electric fish Gymnotus coropinae (Hoedeman): the electric organ and the electric organ discharge". Journal of Experimental Biology. 212 (9): 1351–1364. doi:10.1242/jeb.022566. PMID 19376956. {{cite journal}}: Unknown parameter |last-author-amp= ignored (|name-list-style= suggested) (help)
  5. ^ Potter, M. C. (1911). Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character, 84(571), 260-276.
  6. ^ Raghavulu, SV, et al. "Relative Effect of Bioaugmentation with Electrochemically Active and Non-Active Bacteria on Bioelectrogenesis in Microbial Fuel Cell." Bioresource Technology, vol. 146, 2013, pp. 696-703.
  7. ^ Velvizhi, G., and S. Venkata Mohan. "Electrogenic Activity and Electron Losses Under Increasing Organic Load of Recalcitrant Pharmaceutical Wastewater." International Journal of Hydrogen Energy, vol. 37, no. 7, 2012, pp. 5969-5978.
  8. ^ McCarthy, Kevin D., et al. "Extracellular Electron Transfer Via Microbial Nanowires." Nature, vol. 435, no. 7045, 2005, pp. 1098-1101.
  9. ^ Gorby, Yuri A., et al. "Electrically Conductive Bacterial Nanowires Produced by Shewanella Oneidensis Strain MR-1 and Other Microorganisms." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 103, no. 30, 2006, pp. 11358-11363.
  10. ^ Kotloski, NJ, and JA Gralnick. "Flavin Electron Shuttles Dominate Extracellular Electron Transfer by Shewanella Oneidensis." Mbio, vol. 4, no. 1, 2013, pp. e00553-12-e00553-12.
  11. ^ Kumar, Ravinder, et al. "Exoelectrogens in Microbial Fuel Cells Toward Bioelectricity Generation: A Review." International Journal of Energy Research, vol. 39, no. 8, 2015, pp. 1048-1067.
  12. ^ Bond, Daniel R., and Derek R. Lovley. "Electricity Production by Geobacter Sulfurreducens Attached to Electrodes." Applied and Environmental Microbiology, vol. 69, no. 3, 2003, pp. 1548-1555.
  13. ^ Inoue, K., et al. "Specific Localization of the c-Type Cytochrome OmcZ at the Anode Surface in Current-Producing Biofilms of Geobacter Sulfurreducens." Environmental Microbiology Reports, vol. 3, no. 2, 2011, pp. 211-217.
  14. ^ Bonanni, PS, D. Massazza, and JP Busalmen. "Stepping Stones in the Electron Transport from Cells to Electrodes in Geobacter Sulfurreducens Biofilms." Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 15, no. 25, 2013, pp. 10300-10306.
  15. ^ Kumar, Ravinder, et al. " Exoelectrogens in Microbial Fuel Cells Toward Bioelectricity Generation: A Review." International Journal of Energy Research, vol. 39, no. 8, 2015, pp. 1048-1067.
  16. ^ Chabert, N., Amin Ali, O., & Achouak, W. (2015). All ecosystems potentially host electrogenic bacteria. Bioelectrochemistry (Amsterdam, Netherlands), 106(Pt A), 88.
  17. ^ Garcia-Munoz, J., et al. "Electricity Generation by Microorganisms in the Sediment-Water Interface of an Extreme Acidic Microcosm." International Microbiology, vol. 14, no. 2, 2011, pp. 73-81.
  18. ^ Jennifer Chu (2019-01-11). "Technique identifies electricity-producing bacteria". MIT News.
تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=تكون_الكهرباء_الحيوية&oldid=1964983"