Phóng điện sinh học

Phóng điện sinh học là sự tạo ra điện bởi các sinh vật sống, một hiện tượng thuộc về khoa học điện sinh lý. Trong các tế bào sinh học, kênh ion xuyên màng hoạt động điện hóa và protein vận chuyển, như bơm natri-kali, có thể tạo ra điện bằng cách duy trì sự mất cân bằng điện áp từ sự khác biệt điện thế giữa không gian nội bào và ngoại bào. Bơm natri-kali đồng thời giải phóng ba ion Na đi và bơm hai ion K vào không gian nội bào. Điều này tạo ra một gradient điện thế từ sự phân tách điện tích không đồng đều được tạo ra. Quá trình tiêu thụ năng lượng trao đổi chất dưới dạng ATP.

Điện sinh học ở cá

Thuật ngữ này thường đề cập đến khả năng tạo ra điện ở một số sinh vật sống dưới nước, chẳng hạn như cá chình điện, cá da trơn điện, hai chi của cá sao nhật, cá đuối điện và ở mức độ thấp hơn là cá dao ma đen. Cá biểu hiện quá trình điện sinh học như vậy cũng thường có khả năng nhiễm điện (phổ biến hơn) như là một phần của hệ thống điện tích hợp. Phóng điện sinh học có thể được sử dụng để điện phân, tự vệ, truyền điện và đôi khi là tạo ra cảnh quan tuyệt đẹp thu hút con mồi.

Điện sinh học trong đời sống vi sinh vật

Những ví dụ đầu tiên về phóng điện sinh học được xác định trong men bia (Saccharomyces cerevisi) của MC Potter vào năm 1911, sử dụng một bước lặp đầu tiên của pin nhiên liệu vi khuẩn (MFC). Người ta đã thành lập rằng hành động hóa học trong việc phân hủy carbon như lên men và phân hủy carbon trong nấm men có liên quan đến việc sản xuất điện.
Sự phân hủy carbon hữu cơ hoặc vô cơ của vi khuẩn kết hợp với sự giải phóng các electron ngoại bào về phía các điện cực, tạo ra dòng điện. Các electron được giải phóng của vi khuẩn sẽ được vận chuyển bằng các enzyme biocatalytic hoặc các hợp chất hoạt động oxi hóa khử từ tế bào đến cực dương với sự có mặt của một nguồn carbon khả thi. Điều này tạo ra một dòng điện khi các electron được vận chuyển từ cực dương sang cực âm tách biệt vật lý.
Có một số cơ chế vận chuyển electron ngoại bào. Một số vi khuẩn sử dụng dây nano trong màng sinh học để chuyển electron về phía cực dương. Các dây nano được làm bằng pili hoạt động như một ống dẫn để các electron được truyền về phía cực dương.
Các con thoi điện tử ở dạng các hợp chất hoạt động oxi hóa khử như flavin, là một cofactor, cũng có thể vận chuyển electron. Các đồng yếu tố này được tiết ra bởi vi khuẩn và giảm bởi các enzyme tham gia oxi hóa khử như Cytochrom C được nhúng trên bề mặt tế bào của vi khuẩn. Các cofactor bị khử sau đó chuyển electron sang cực dương và bị oxy hóa.
Trong một số trường hợp, sự truyền electron được trung gian bởi chính màng tế bào nhúng enzyme tham gia oxi hóa khử. Cytochrom C trên bề mặt tế bào của vi khuẩn tương tác trực tiếp với cực dương để chuyển electron.
Electron nhảy từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác trong màng sinh học về phía cực dương thông qua các tế bào màng ngoài của chúng cũng là một cơ chế vận chuyển electron khác.
Những vi khuẩn vận chuyển electron trong môi trường bên ngoài của vi khuẩn được gọi là exoelectrogen (ngoại vi khuẩn sinh điện).
Vi khuẩn sinh điện có mặt trong tất cả các hệ sinh thái và môi trường. Điều này bao gồm các môi trường trong điều kiện khắc nghiệt như miệng phun thủy nhiệt và hệ sinh thái có tính axit cao, cũng như các môi trường tự nhiên phổ biến như đất và hồ. Những vi khuẩn sinh điện này được quan sát thông qua việc xác định các vi khuẩn cư trú trong màng sinh học hoạt động điện hóa được hình thành trên các điện cực MFC như Pseudomonas aeruginosa.