Vi khuẩn tạo ra điện mở ra kỷ nguyên công nghệ Pin sinh học mới thân thiện môi trường

Blogtheanh (11/6/2025): Các nhà khoa học tại Đại học Rice vừa đạt được một bước đột phá quan trọng với việc phát hiện ra một loại vi khuẩn có khả năng tạo ra điện, hay còn gọi là vi khuẩn điện sinh học (electrogenic bacteria). Khám phá này không chỉ thách thức hiểu biết hiện tại của chúng ta về cách thức các sinh vật sống sản xuất năng lượng mà còn mở ra những tiềm năng công nghệ đầy hứa hẹn. 

Không giống như hầu hết các sinh vật sống phụ thuộc vào oxy để sản xuất năng lượng, những vi khuẩn đặc biệt này sử dụng một hợp chất tự nhiên mang tên naphthoquinone để đẩy các electron ra khỏi tế bào, giải phóng năng lượng trong quá trình này. Tính năng độc đáo của vi khuẩn điện sinh học hứa hẹn mang lại những giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường cho nhiều lĩnh vực trong tương lai.

Hô hấp ngoại bào: Bí quyết "thở" ra điện của vi khuẩn

Quá trình độc đáo này, được gọi là hô hấp ngoại bào, hoạt động tương tự cách pin tạo ra dòng điện. Nó cho phép vi khuẩn sinh trưởng và sản xuất năng lượng ngay cả trong môi trường thiếu oxy. "Phương pháp này đơn giản nhưng vô cùng hiệu quả," Biki Bapi Kundu, tác giả chính của nghiên cứu, nhận định. "Naphthoquinone đóng vai trò như những 'người đưa tin', vận chuyển electron ra khỏi tế bào để quá trình tạo năng lượng diễn ra."

Đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ cơ chế hoạt động của quá trình này. Họ đã kết hợp mô hình máy tính và các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để nuôi cấy vi khuẩn trên các bề mặt dẫn điện trong môi trường không có oxy. Đáng kinh ngạc, vi khuẩn không chỉ tiếp tục phát triển mà còn giải phóng điện năng một cách hiệu quả, hệt như việc "thở" qua vật liệu.

Tiềm năng ứng dụng rộng rãi

1. Sản xuất năng lượng sạch

• Pin nhiên liệu vi sinh (Microbial Fuel Cells - MFCs): Đây là ứng dụng nổi bật nhất, nơi vi khuẩn được sử dụng để chuyển hóa chất thải hữu cơ (nước thải, chất thải nông nghiệp, bùn thải...) thành điện. MFCs có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử công suất thấp ở vùng sâu, vùng xa, hoặc đóng vai trò như một nguồn năng lượng bổ trợ.
• Điện phân vi sinh (Microbial Electrolysis Cells - MECs): Tương tự như MFCs, nhưng MECs sử dụng vi khuẩn để sản xuất khí Hydro (H2) từ chất thải hữu cơ. Hydro là một nguồn nhiên liệu sạch tiềm năng, có thể được sử dụng trong các pin nhiên liệu hoặc sản xuất hóa chất.
• Sản xuất Methane sinh học: Một số loại vi khuẩn điện sinh học có thể thúc đẩy quá trình sản xuất methane (khí sinh học) từ chất thải hữu cơ, cung cấp một nguồn năng lượng tái tạo.

2. Xử lý nước thải

• Xử lý nước thải hiệu quả cao: Vi khuẩn điện sinh học có thể phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải đồng thời tạo ra điện, giúp giảm chi phí năng lượng cho quá trình xử lý nước thải.
• Loại bỏ kim loại nặng: Một số chủng vi khuẩn có khả năng khử các ion kim loại nặng (ví dụ: Cr,U) thành dạng ít độc hơn, đồng thời có thể thu hồi chúng.
• Giám sát chất lượng nước: Các cảm biến sinh học dựa trên vi khuẩn điện sinh học có thể phát hiện nhanh chóng sự hiện diện của các chất ô nhiễm trong nước bằng cách đo sự thay đổi dòng điện.

3. Cảm biến sinh học và giám sát môi trường

• Cảm biến phát hiện ô nhiễm: Vi khuẩn điện sinh học có thể được tích hợp vào các cảm biến để phát hiện các chất độc hại, kim loại nặng, hoặc các chất ô nhiễm hữu cơ trong đất, nước và không khí. Sự thay đổi trong hoạt động điện của vi khuẩn sẽ chỉ ra sự hiện diện của chất gây ô nhiễm.
• Giám sát sức khỏe đất: Các cảm biến này cũng có thể được dùng để đánh giá sức khỏe của đất bằng cách đo hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật trong đất.

4. Y sinh và sức khỏe

• Cung cấp năng lượng cho thiết bị y tế cấy ghép: Trong tương lai, pin nhiên liệu vi sinh siêu nhỏ có thể được phát triển để cung cấp năng lượng cho các thiết bị y tế cấy ghép như máy tạo nhịp tim, sử dụng các chất chuyển hóa trong cơ thể làm nguồn nhiên liệu.
• Chẩn đoán bệnh: Một số nghiên cứu đang khám phá khả năng sử dụng vi khuẩn điện sinh học để phát hiện các dấu hiệu sinh học của bệnh tật thông qua sự thay đổi hoạt động điện.

5. Khai thác tài nguyên và phục hồi môi trường

• Khai thác kim loại: Vi khuẩn có thể được sử dụng để trích xuất các kim loại quý từ quặng hoặc chất thải điện tử, một quá trình gọi là khai thác sinh học (bioleaching).
• Phục hồi đất và nước bị ô nhiễm: Vi khuẩn điện sinh học có thể giúp phân hủy hoặc ổn định các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong đất và nước bị ô nhiễm.

Mặc dù tiềm năng là rất lớn, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để hoàn thiện đưa các ứng dụng này vào thực tế, bao gồm việc tối ưu hóa hiệu suất, giảm chi phí sản xuất, và đảm bảo tính ổn định lâu dài của hệ thống. Tuy nhiên, với những tiến bộ không ngừng trong công nghệ sinh học và vật liệu, vi khuẩn điện sinh học hứa hẹn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc xây dựng một tương lai bền vững.

.