研究者が人間の腸にインスパイアされた細菌電池を開発、テスト期間中に0.75ボルトの出力を14時間維持

賓漢頓大学の研究者が人間の小腸にインスパイアされた細菌駆動の電池を開発し、この電池はテスト期間中に約0.75ボルトの出力を14時間維持した。この装置は柔軟で指のような構造を採用しており、腸絨毛にインスパイアを受けて、細菌の成長のためのスペースを増やし、栄養素の移動と廃棄物の排出を改善することを目的としている。これらの小さな突起は通常、腸が栄養を吸収するのを助け、芽胞を形成する細菌を用いた発電モデルの効率を向上させる。研究チームは柔軟なポリマー水凝膠を用いてこれらの構造を製造し、その中に芽胞桿菌を埋め込んだ。

これらの構造は電池の陽極として機能し、細菌の活性が発電を助ける。チームは、この技術が最終的には廃水管に設置され、有機廃棄物を栄養源として低消費電力装置に電力を供給できると述べている。

細菌電池の動作原理

細菌駆動電池は微生物の代謝活動を利用して電力を生成する。しかし、その性能は細菌が栄養を受け取り、廃棄物を排出する効率に部分的に依存している。従来の二次元電極は細菌の成長に提供する表面積が限られている。多孔質材料は追加のスペースを提供するが、細菌がバイオフィルムを形成することで詰まり、栄養素や廃棄物の移動を制限する可能性がある。「多孔質構造はバイオフィルム形成の影響を受けやすく、栄養の移動、廃棄物の蓄積、またはバイオフィルムの不均一な成長に関して多くの問題に直面しています」と賓漢頓大学の電気・コンピュータ工学教授、崔錫勳は述べている。

これらの問題を解決するために、崔教授と彼の博士課程の学生である張若涵と王博天は小腸の構造に目を向けた。腸絨毛はより大きな表面積を提供し、栄養素が比較的短い距離で移動できるようにする。研究者たちはこの利点を柔軟な電池電極に再現しようと試みた。

未来の応用と課題

彼らは生物医学応用に一般的に使用されるポリマー水凝膠から指状の突起を作り出した。この材料により、細菌が電極全体に広がる三次元構造を構築することが可能になった。細菌を含む構造が陽極を形成し、改良されたカーボンクロス陰極がイオン交換膜の対側に位置する。これらの要素が共同で作用し、装置が細菌が栄養素を代謝する際に電力を生成できるようにする。研究者たちは、将来のバージョンの生物電池を廃水管に設置し、微生物が水中の有機物を燃料として利用することを想定している。「この生物電池を廃水管に設置できるのは、周囲の環境と簡単に統合できるからです」と崔教授は述べている。

柔軟な水凝膠は、電池がさまざまな管の形状やサイズに適応できるようにする。このようなシステムは最終的に、小型センサーに電力を供給する可能性があり、従来の電池を必要としない。

しかし、この研究はまだ初期段階にある。報告された電圧は、栄養媒体を持続的に供給した場合に維持されており、チームはまだこのシステムが廃水管内で動作する様子を示していない。研究者たちは、単一ステップ印刷プロセスを通じて製造を簡素化し、構造を大規模生産しやすくすることも目指している。もう一つの目標は、装置内の細菌の分布を改善することである。人間の腸内では、微生物は主に腸絨毛の表面に近い粘液層に集中している。現在の設計では、細菌が水凝膠全体に埋め込まれている。今後の研究では、腸の物理的および化学的条件をより再現することが、細菌の活性を維持し、性能を改善するのに役立つかどうかを探る予定である。

関連研究成果は『Small』誌に発表された。

細菌電池の潜在的な応用と発展方向

細菌駆動電池の開発は、特に廃水中の有機物を利用して電力を生成する分野におけるバイオテクノロジーの可能性を示している。この技術は、低消費電力装置に持続的な電力を供給するだけでなく、従来の電池の環境影響を軽減することも可能である。しかし、この技術は現在、細菌の効果的な分布やバイオフィルムの形成問題などの課題に直面している。今後の研究では、これらの要因を最適化し、電池性能を向上させ、商業化応用を推進することに重点が置かれる。