細菌燃料電池:光栄養細菌と従属栄養細菌の驚異的相乗効果

石油や石炭、あるいは、太陽光エネルギーに取って代わって、自続細菌燃料電池が未来を動かすかもしれません。ニューヨーク州立大学ビンガムトン校の研究者達は、2種類の細菌の共生的交互作用を介して13日連続で電力を作り続けた、最初のマイクロスケール自律細胞を持った微生物燃料電池(MFCs)の次のステップへと開発を進めています。

”相乗的連携を通して電気を作り出すという発想は新しくはありませんが、この研究の多くの部分は、いまもなお初期の段階に過ぎません。”と、博士号候補者のリン・リュー氏と共に”Self-sustaining, solar-driven bioelectricity generation in micro-sized microbial fuel cell using co-culture of heterotrophic and photosynthetic bacteria,”の共著者の一人で、ビンガムトン大学電気学・情報工学部助教授ソルヒョン・チョイ氏は言いました。

光栄養細菌と従属栄養細菌

Researchers create self-sustaining bacteria-fueled power cell

”この技術の進化には、追加の研究が必要なのですが、我々は、マイケルスケールデバイスにおいて、この概念的な思いつきを世界で初めて実現しています。”とチョイ氏は言いました。

In a cell chamber about one-fifth the size of a teaspoon–90 microliters–researchers placed a mixed culture of phototrophic and heterotrophic bacteria. Phototrophic bacteria uses sunlight, carbon dioxide, and water to make its own energy, while heterotrophic bacteria must “feed” on provided organic matter or phototrophic bacteria to survive – think of cows grazing in a grassy field.

茶さじの大きさの約5分の1、90μリットルの細胞培養チャンバーの中に、研究者達は、光栄養細菌と従属栄養細菌の混合培養を設置しました。光栄養細菌は、自身のエネルギーを生産するために、太陽光、二酸化炭素、水を使い、一方の従属栄養最近は、生きていくために、草原で牧草を食む牛達のように、与えられた有機質や光栄養細菌を食べていく必要があります。

共生サイクル

細胞が日光にさらされる間、食物の初期投与量が、従属栄養細菌の増殖を促すために、チャンバーに追加で供給されています。細胞呼吸を通して、従属栄養細菌は、symbiotic cycle(共生サイクル)を始動させるのに光栄養細菌によって利用される二酸化炭素廃棄物を生産します。

After that cycle was established, researchers stopped adding additional “food” sources for the heterophic bacteria, and there was enough phototrophic bacteria to sustain the metabolic processes of the heterophic bacteria. Those metabolic processes generated an electrical current–8 microamps per square centimeter of cell–for 13 straight days. The power was about 70 times greater than current produced by phototrophic bacteria alone.

そのサイクルが確立された後で、研究者たちは、従属栄養細菌の代謝過程を維持するのに十分な光栄養細菌が存在するので、従属栄養細菌用の付加的な餌を供給するのを止めました。その代謝過程は、細胞1cm2につき、8マイクロアンペアの電流を、13日間にわたって発生させています。その電力は、光栄養細菌のみで生産された電流より約70倍大きかったです。

光合成微生物燃料電池

“Heterotrophic bacteria-based fuel cells generate higher power, while photosynthetic microbial fuel cells provide self-sustainability. This is the best of both worlds, thus far,” Choi said.

”有機栄養細菌ベースの燃料電池は、より高い電力を産み出し、その一方で、光合成微生物燃料電池は、自律性を提供してくれています。これまでのところは、このことは、二つの異なる燃料電池の、それぞれの長所ということになっています。”と、チョイ氏は言いました。

今回のブレイクスルーは前途有望ですが、細菌発電の開発の初期段階に過ぎません。全般的に見れば、その小型電池が、起動時間の短縮を可能にして、克服すべき電気抵抗を小さくさせています。しかし、一般的な42インチハイビジョンテレビは、動作用に約0.5アンペアの電力を必要とし、理論的に、約62500個の実験で使われたセルを必要とします。実際には、こういったセルは、健康モニターやインフラ診断センサーのような低電力アイテム用に、過疎地や危険な場所で電力を供給するのに使われることを前提にしています。

”この技術を利用するため尾いくつかの課題が存在します。”とチョイ氏は言いました。”デバイス性能を極限まで引き出すために、両方の微生物の増殖のバランスをとる事と、このクローズドシステムが、追加のメンテなしで、永久に電力を生産し続けることを確実にする必要があるという事が、我々が気付いた2点です。かなり長期的な実験が必要とされています。”

生物太陽電池と生物太陽パネル

The current work is the latest in a series of battery-related and microbial-based power studies Choi has worked on. Last spring, researchers connected nine biological-solar (bio-solar) cells into a working bio-solar panel for the first time ever. The bacteria used in that experiment were phototrophic. That panel generated the most wattage of any existing small-scale bio-solar cells: 5.59 microwatts. Choi has also developed an origami-inspired microbe-based paper battery, a microbe-based battery that can use human saliva as a power source, a battery that can be printed on paper and battery designs inspired by Japanese ninja throwing stars.

現在の研究は、チョイ氏が取り組んでいる、一連の電池に関連した細菌ベース(微生物を利用した)電力研究の最新です。去年の春、研究者達は、史上初めて、9個の生物太陽電池を実用的な生物太陽パネルに接続しています。その実験で使われたバクテリアは光栄養細菌でした。そのパネルは、全ての既存の小規模生物太陽電池の中で最大のワット量となる、5.59マイクロワットを発生させています。チョイ氏は、折り紙にインスパイアされた細菌を使った紙電池も開発していて、その細菌ベースの電池は、動力源として人間の唾を利用でき、紙の上に印刷することが可能な電池で、日本の忍者の手裏剣によってインスパイアされた電池デザインです。

細菌を使った燃料電池(太陽電池)とは、目の付け所がかなりいけてるような気がしますが、細菌を使って薬剤を生産したり、貴重な分子を生成したり、細菌にガン細胞を攻撃させたり、細菌を使って色々なことをやっていますが、今後も細菌が多くの分野で活躍しそうな勢いです。