چگونگی عملکرد باتری های خاکی

به گزارش مجله خبری نگار، تیمی از دانشمندان با ساخت یک سامانه زنده شامل میکروب‌ها و مواد معدنی، موفق شده‌اند سیستمی طراحی کنند که نور را جذب کرده، الکترون‌ها را ذخیره کند و سپس در شب از آن انرژی برای تجزیه مولکول‌های دارویی استفاده نماید.

ایده‌ای از طبیعت: باتری زیستی در دل خاک

نتیجه این پژوهش، یک باتری زیستی-معدنی است؛ نوعی سیستم ذخیره انرژی طبیعی که میان ریزاندامگان خاک و مواد معدنی شکل می‌گیرد. این سیستم به عنوان یک «باتری خاکی» عمل می‌کند که بدون نیاز به منبع انرژی بیرونی، توانایی پاکسازی محیط را دارد.

آلودگی آنتی‌بیوتیکی در خاک و آب

پس از مصرف دارو‌های آنتی‌بیوتیک، مقدار زیادی از این ترکیبات وارد خاک و آب می‌شوند. آنها به‌راحتی از بین نمی‌روند و شرایطی را ایجاد می‌کنند که باکتری‌ها را به سمت مقاومت دارویی سوق می‌دهد؛ یعنی توانایی زنده‌ماندن در برابر دارو‌هایی که برای نابودی‌شان طراحی شده‌اند.

بر اساس مطالعات متعدد، آثاری از آنتی‌بیوتیک‌ها در رودخانه‌ها، رواناب‌های کشاورزی و حتی منابع آب آشامیدنی یافت شده است. دو گروه از آنتی‌بیوتیک‌ها به نام‌های تتراسایکلین و کلرامفنیکل، به‌ویژه در این پایش‌ها بار‌ها مشاهده شده‌اند.

روش‌های پاکسازی موجود برای این آلودگی‌ها معمولاً به نور یا برق مداوم نیاز دارند، اما خاک‌های تیره و لایه‌های زیرزمینی فاقد نور هستند.

در نتیجه، به سیستمی نیاز است که بتواند در تاریکی کار کند، از مواد طبیعی ساخته شود و آلودگی جدیدی ایجاد نکند. فناوری باتری‌های خاکی دقیقاً برای این هدف طراحی شده است.

چگونگی عملکرد باتری‌های خاکی

ذخیره نور در هماتیت و باکتری‌ها

این باتری از کانی هماتیت ساخته شده است؛ ترکیبی قرمز رنگ از اکسید آهن که مانند یک نیمه‌رسانای ضعیف قادر به جذب نور مرئی است. باندگپ هماتیت حدود ۲.۱ الکترون‌ولت است، به همین دلیل می‌تواند انرژی نور خورشید را به دام اندازد.

در کنار آن، باکتری مقاومی به نام Bacillus megaterium قرار دارد؛ میکروبی میله‌ای‌شکل و بزرگ که توانایی بالایی در انتقال الکترون دارد. این باکتری از طریق مکانیزمی به نام انتقال الکترون خارج‌سلولی می‌تواند بار الکتریکی را به بیرون از سلول منتقل کند.

تشکیل لایه زیستی ذخیره انرژی

وقتی باکتری‌ها و مواد معدنی با هم ترکیب می‌شوند، یک لایه نازک به نام زیست‌فیلم (biofilm) تشکیل می‌دهند. این لایه مانند یک خازن طبیعی، الکترون‌ها را در حضور نور جذب کرده و سپس در تاریکی آنها را به‌تدریج آزاد می‌کند.

این چرخه شامل واکنش‌های اکسایش و کاهش میان یون‌های آهن دوظرفیتی (Fe۲+) و آهن سه‌ظرفیتی (Fe۳+) است؛ فرآیندی که مدت‌هاست منبع انرژی میکروبی در خاک‌ها محسوب می‌شود.

باکتری‌ها؛ باتری‌های زنده طبیعت

در یک آزمایش کنترل‌شده، پژوهشگران هماتیت را با B. megaterium ترکیب کرده و جریان الکتریکی را در چرخه‌های روشنایی و تاریکی اندازه‌گیری کردند.

سیستم توانست در هر سانتی‌متر مربع، ۸.۰۶ میکروکولن بار الکتریکی ذخیره کند.

پس از ۶۰ دقیقه شارژ نوری، در تاریکی ۲۰ تا ۲۲ درصد از تتراسایکلین و کلرامفنیکل تجزیه شد.

هیچ‌یک از اجزای جداگانه به‌تنهایی چنین اثری نداشتند؛ انرژی در مرز میان باکتری و کانی ذخیره شده بود.

افزایش زمان شارژ باعث بهبود تجزیه در تاریکی شد، بدون اینکه نیازی به مواد شیمیایی اضافی باشد. این ویژگی برای استفاده در محیط‌های واقعی که دسترسی به برق محدود است، بسیار ارزشمند است.

به گفته پروفسور بو پان از دانشگاه فناوری کونمینگ، «یافته‌های ما نشان می‌دهد که میکروارگانیسم‌ها و مواد معدنی خاک می‌توانند همانند باتری‌های طبیعی عمل کنند».

اهمیت زیست‌محیطی باتری‌های خاکی

آلودگی آنتی‌بیوتیکی یکی از چالش‌های بزرگ زیست‌محیطی است. این نوع آلودگی به آرامی تعادل اکوسیستم‌ها و سلامت عمومی را تهدید می‌کند و محدود به نواحی آفتاب‌گیر نیست.

باتری‌های خاکی با ترکیب مواد معدنی و باکتری‌ها می‌توانند در مناطق تاریک مانند لایه‌های زیرزمینی و خاک‌های مرطوب نیز فعال باشند. این فناوری قادر است در روز از نور خورشید شارژ شود و در شب فرآیند پاکسازی را ادامه دهد.

مواد به‌کاررفته در این سیستم نیز بسیار در دسترس و ارزان هستند؛ اکسید‌های آهن به وفور در خاک یافت می‌شوند و باکتری B. megaterium در محیط‌های مختلف رشد می‌کند.

چالش‌های پیش رو و مسیر آینده

اگرچه نتایج آزمایشگاهی امیدوارکننده‌اند، اما محیط‌های واقعی خاک پیچیده‌تر هستند. یون‌ها، مواد آلی و تغییرات دمایی می‌توانند عملکرد سیستم را کاهش دهند.

در آزمایش‌های میدانی آینده باید بررسی شود که زیست‌فیلم‌ها چگونه بر دانه‌های طبیعی خاک رشد می‌کنند و حافظه شارژ تا چه مدت پایدار می‌ماند.

مهندسان همچنین باید اندازه ذرات معدنی، ضخامت لایه و تراکم میکروبی را متناسب با هر منطقه تنظیم کنند. پایش مداوم محصولات تجزیه و ژن‌های مقاومت دارویی نیز برای اطمینان از ایمنی سیستم ضروری است.

اگر این نتایج در میدان نیز تأیید شوند، شارژ روزانه با نور خورشید و عملکرد شبانه می‌تواند به ابزاری کاربردی برای مدیریت آلودگی خاک و آب تبدیل شود؛ بدون وابستگی به منبع انرژی خارجی.

نتایج این پژوهش در مجله Environmental and Biogeochemical Processes منتشر شده است.

جمع‌بندی

باتری‌های خاکی نشان می‌دهند که طبیعت خود راه‌حل‌هایی برای مشکلات پیچیده انسان دارد. این سیستم‌های زیستی با بهره‌گیری از نور خورشید و تعامل با مواد معدنی، می‌توانند گامی مهم در پاکسازی پایدار محیط‌زیست باشند. 

منبع:فوت و فن