Несколько лет назад впервые был зафиксирован факт получения электричества от живого растения. Но только сейчас исследования ряда американских, голландских и японских учёных подошли к точке, где стала ясна возможность коммерциализации бактериальных топливных элементов (БТЭ), питающихся от продуктов жизнедеятельности растений.

Такие БТЭ одновременно вырабатывают электричество и снижают образование парниковых газов.

Американец Гордон Уэйлд, изобретатель из Иллинойса, первым обнаружил в 2006 году, что металлический гвоздь, вбитый в дерево и соединённый проводком с металлической же закопанной в землю пластиной, играет роль анода, по которому электроны устремляются к пластине-катоду. Теоретическое объяснение этому необычному факту дал физик Андреас Мершин из Массачусетского технологического института (США): в почве оказалось больше положительно заряженных ионов водорода, чем в дереве. По сути,

энергия бралась из побочных последствий фотосинтеза, осуществляемого деревом. Но электричества при этом вырабатывалось весьма немного, и самостоятельным источником энергии такой «топливный элемент» стать не мог.

Рис. 1. Устройство бактериального топливного элемента, питающегося от микроорганизмов, которые разлагают продукты жизнедеятельности растений (изображение NewScientist).

Берт Хамелерс, исследователь из Вагенингенского университета (Нидерланды), подошёл к проблеме с противоположной стороны; его работа на эту тему недавно появилась в журнале Bioresource Technology.

Целью учёного было создание бактериальных топливных элементов, но не таких, как нынешние (для переработки мусора и биоотходов), а автономных, не требующих систематической подпитки.

Г-н Хамелерс задался вопросом: где можно найти больше всего бактерий, не зависящих от внешней топливной подпитки? Этим местом оказалась почва. Почвенные бактерии получают около 50% углеводов, вырабатываемых растениями в процессе фотосинтеза. Аэробные бактерии разлагают углеводы, образующиеся при этом ионы водорода соединяются с кислородом; итог — молекулы воды.

Вывод: как источник энергии аэробы не годятся.

Поэтому исследователь обратил внимание на анаэробные бактерии, живущие в заболоченным почвах, где нет свободного кислорода. Он укладывал электроды рядами, засыпая пространство между ними смоченными мелкими графитовыми гранулами, играющими роль анода. После ряда опытов ему и биотехнологу Давиду Стрику удалось поднять энергоотдачу с 0,2 Вт с одного кв. м до 0,5 Вт. Г-н Стрик настолько воодушевился полученными результатами, что даже основал компанию Plant-e, с помощью которой надеется коммерциализировать новые бактериальные топливные элементы. Между тем усилия голландских учёных были замечены, и сейчас они работают по программе ЕС Plant Power, намереваясь поднять отдачу до 3,2 Вт на кв. м. И даже с половиной от этой цифры квадратный метр травяной крыши (что в Голландии почти общее место) сможет вырабатывать 14 киловатт-часов год, а с крыши в 50 м² — 700 кВт•ч; это составляет 20% от ежегодного потребления средней голландской семьи.

Как Стрик и Хамелерс намерены получить такие результаты?

• Во-первых, есть растения, у которых основная часть массы расположена в почве, туда же они выделяют до 80% избыточных для себя углеводов. Особенно привлекательна в этом смысле обычная сахарная свёкла.
• Другим значительным резервом остаётся бактериальная флора. Существующая естественная флора разлагает углеводы настолько быстро, что катод не успевает задействовать образующиеся электроны в реакции окисления. Подбор другой анаэробной флоры, по мнению исследователей, способен значительно повысить энергоотдачу. Сами «электростанции» можно располагать в любом болоте, на территориях, не имеющих никакого хозяйственного значения. В отличие от существующих ветровых и солнечных источников электроэнергии, бактерии «работают» и ночью — следовательно, не потребуется разворачивать сеть дорогостоящих промышленных энергонакопителей.

Сходными идеями руководствуется и Казуя Ватанабе, биолог из Токийского университета (Япония). Располагая электроды на затопленных рисовых чеках, он рассчитывает не только получать электричество, но и снизить негативное воздействие глобального потепления.

Как отмечает Уилли Гермстрайт из Гентского университета (Бельгия), эта инициатива особо интересна потому, что заливные рисовые поля производят до 20% ежегодных выбросов метана — одного из сильнейших парниковых газов. Собственно говоря, все те ионы водорода, которые бактериальные почвенные топливные элементы окисляют при получении электроэнергии, раньше уходили на окисление «осколков» углеводных молекул и вели к выработке метана, попадавшего затем из почвы в воздух. БТЭ снижают метановые выбросы вне зависимости от типа растений, но рисовые поля в странах Азии занимают значительную площадь (в Японии это 12% территории страны), и при этом из-за обводнённости на них живут только анаэробные бактерии, особенно энергично вырабатывающие метан.

Словом, у авторов новых топливных элементов на руках уже есть серьёзные экологические козыри. Будут ли им сопутствовать экономические и энергетические удачи, покажет время.