Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Электрический угорь использует электрошок как для охоты и самообороны.

Биоэлектрогенез - это производство электричества живыми организмами, явление, относящееся к науке электрофизиологии . В биологических клетках электрохимически активный трансмембранный ионный канал и белки-переносчики, такие как натрий-калиевый насос , делают возможным производство электроэнергии за счет поддержания дисбаланса напряжений из-за разницы электрических потенциалов между внутриклеточным и внеклеточным пространством. Натрий-калиевый насос одновременно высвобождает три иона Na и подает два иона K внутрь внутриклеточного пространства. Это создает градиент электрического потенциала из созданного неравномерного разделения зарядов. Процесс расходует метаболическую энергию в виде АТФ.. [1] [2]

Биоэлектрогенез у рыб [ править ]

Этот термин обычно относится к способности вырабатывать электричество у некоторых водных существ, таких как электрический угорь , электрический сом , два рода звездочетов , электрические скаты и, в меньшей степени, черная рыба-призрак . Рыбы, демонстрирующие такой биоэлектрогенез, часто также обладают электрорецептивными способностями (которые более распространены) как часть интегрированной электрической системы. [3] Электрогенез может использоваться для электролокации , самообороны, электросвязи и иногда для оглушения добычи. [4]

Биоэлектрогенез в микробной жизни [ править ]

Первые примеры биоэлектрогенной микробной жизни были идентифицированы в пивных дрожжах (Saccharomyces cerevisiae) М.К. Поттером в 1911 году с использованием ранней итерации микробного топливного элемента (MFC). Было установлено, что химическое действие при расщеплении углерода, такое как ферментация и разложение углерода в дрожжах, связано с производством электроэнергии. [5]

Разложение органического или неорганического углерода бактериями сопровождается высвобождением электронов внеклеточно по направлению к электродам, которые генерируют электрические токи. Освободившиеся электроны микроба переносятся биокаталитическими ферментами или окислительно-восстановительными соединениями от ячейки к аноду в присутствии жизнеспособного источника углерода. Это создает электрический ток, когда электроны движутся от анода к физически разделенному катоду . [6] [7]

Существует несколько механизмов внеклеточного транспорта электронов. Некоторые бактерии используют нанопровода в биопленке для переноса электронов к аноду. Нанопроволоки состоят из пилей, которые действуют как канал для прохождения электронов к аноду. [8] [9]

Электронные шаттлы в виде окислительно-восстановительных соединений, таких как флавин , который является кофактором , также способны переносить электроны. Эти кофакторы секретируются микробом и восстанавливаются ферментами, участвующими в окислительно-восстановительном процессе, такими как цитохром С, встроенным на поверхность клетки микроба. Восстановленные кофакторы переносят электроны на анод и окисляются. [10] [11]

В некоторых случаях перенос электронов опосредуется самим ферментом, вовлеченным в окислительно-восстановительный потенциал клеточной мембраны. Цитохром С на поверхности клетки микроба напрямую взаимодействует с анодом для переноса электронов. [12] [13]

Прыжки электронов от одной бактерии к другой в биопленке к аноду через цитохромы их внешней мембраны также являются другим механизмом переноса электронов. [14]

Эти бактерии, переносящие электроны во внешнюю среду микроба, называются экзоэлектрогенами. [15]

Электрогенные бактерии присутствуют во всех экосистемах и средах. Сюда входят среды в экстремальных условиях, такие как гидротермальные источники и сильно кислые экосистемы, а также обычные природные среды, такие как почва и озера. Эти электрогенные микробы наблюдаются посредством идентификации микробов, которые обитают в электрохимически активных биопленках, сформированных на электродах MFC, таких как Pseudomonas aeruginosa . [16] [17]

Другие электрические рыбы
Электрический сом
Северный звездочет


См. Также [ править ]

  • Биоэлектромагнетизм
  • Электрический угорь - действительно разновидность рыбы-ножа
  • Электрическая рыба
  • Электрический орган (биология)
  • Электрический луч
  • Электрические явления в природе
  • Электросвязь
  • Электрофизиология
  • Акула-молот
  • Магниторецепция
  • Magnetospirillum magnetotacticum
  • Пассивная электролокация у рыб
  • Shewanella
  • Звездонос ( спорно )
  • Слабо электрические рыбы

Ссылки [ править ]

  1. ^ Баптиста, В. " Начальная физиология: биоэлектрогенез ". Достижения в физиологическом образовании, т. 39, нет. 4. 2015. С. 397-404. DOI : 10,1152 / advan.00051.2015
  2. ^ Schoffeniels, E .; Марджиняну, Д. (1990). «Клеточные мембраны и биоэлектрогенез». Молекулярные основы и термодинамика биоэлектрогенеза . Темы молекулярной организации и инженерии. 5 . С. 30–53. DOI : 10.1007 / 978-94-009-2143-6_2 . ISBN 978-94-010-7464-3.
  3. ^ Баллок, TH; Хопкинс, CD; Роппер, АН; Фэй, Р.Р. (2005). От электрогенеза до электрорецепции: обзор . Springer . DOI : 10.1007 / 0-387-28275-0_2 . ISBN 978-0-387-23192-1.
  4. ^ Кастелло, Мэн; А. Родригес-Каттанео; П.А. Агилера; Л. Ирибарне; AC Pereira и AA Caputi (2009). «Генерация формы волны у слабоэлектрической рыбы Gymnotus coropinae (Hoedeman): электрический орган и разряд электрического органа» . Журнал экспериментальной биологии . 212 (9): 1351–1364. DOI : 10,1242 / jeb.022566 . PMID 19376956 . 
  5. ^ Поттер, MC (1911). Электрические эффекты, сопровождающие разложение органических соединений. Труды Лондонского королевского общества. Серия B, Содержащие статьи биологического характера, 84 (571), 260-276. JSTOR  80609
  6. ^ Raghavulu, SV, et al. « Относительный эффект биоаугментации с электрохимически активными и неактивными бактериями на биоэлектрогенез в микробных топливных элементах ». Биоресурсные технологии, т. 146, 2013, с. 696-703.
  7. ^ Velvizhi, Г. и С. Venkata Мохан. « Электрогенная активность и потери электронов при увеличивающейся органической нагрузке стойких фармацевтических сточных вод ». Международный журнал водородной энергетики, вып. 37, нет. 7, 2012, стр. 5969-5978.
  8. ^ Malvankar, Nikhil S .; Ловли, Дерек Р. (2012). «Микробные нанопроволоки: новая парадигма для биологического переноса электронов и биоэлектроники». ChemSusChem . 5 (6): 1039–1046. DOI : 10.1002 / cssc.201100733 . PMID 22614997 . 
  9. ^ Горби, Юрий А. и др. « Электропроводящие бактериальные нанопроволоки, произведенные штаммом Shewanella Oneidensis MR-1 и другими микроорганизмами ». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 103, нет. 30, 2006, стр. 11358-11363. PMC  1544091
  10. ^ Kotloski, штат НьюДжерси, и JA Gralnick. « Флавиновые электронные челноки доминируют над внеклеточным переносом электронов с помощью Shewanella Oneidensis ». Мбио, т. 4, вып. 1, 2013, стр. E00553-12-e00553-12. DOI : 10,1128 / mBio.00553-12
  11. ^ Кумар, Равиндер и др. « Экзоэлектрогены в микробных топливных элементах на пути к производству биоэлектричества: обзор ». Международный журнал энергетических исследований , вып. 39, нет. 8, 2015, стр. 1048-1067. DOI : 10.1002 / er.3305
  12. ↑ Бонд, Дэниел Р. и Дерек Р. Ловли. « Производство электроэнергии с помощью Geobacter Sulfurreducens, прикрепленного к электродам ». Прикладная и экологическая микробиология, т. 69, нет. 3, 2003, стр. 1548-1555. DOI : 10,1128 / AEM.69.3.1548-1555.2003
  13. ^ Иноуэ, Кенго; Лианг, Цзин; Franks, Ashley E .; Woodard, Trevor L .; Невин, Келли П .; Ловли, Дерек Р. (2011). «Специфическая локализация цитохрома C-типа OmcZ на поверхности анода в токопродуктивных биопленках Geobacter sulfurereducens». Отчеты по микробиологии окружающей среды . 3 (2): 211–217. DOI : 10.1111 / j.1758-2229.2010.00210.x . PMID 23761253 . 
  14. ^ Бонанни, PS, Д. Массацца, и JP Busalmen. « Шаговые камни в переносе электронов от клеток к электродам в биопленках Geobacter Sulfurreducens ». Физическая химия Химическая физика, т. 15, нет. 25, 2013, с. 10300-10306. DOI : 10.1039 / C3CP50411E
  15. ^ Кумар, Рэвиндер; Сингх, Лакхвир; Wahid, Zularisam A .; Din, Mohd Fadhil Md. (2015). «Экзоэлектрогены в микробных топливных элементах для выработки биоэлектричества: обзор» (PDF) . Международный журнал энергетических исследований . 39 (8): 1048–1067. DOI : 10.1002 / er.3305 .
  16. ^ Чэберт, Н., Амин Али, О., и Achouak, W. (2015). Все экосистемы потенциально являются хозяевами электрогенных бактерий . Биоэлектрохимия (Амстердам, Нидерланды), 106 (Pt A), 88. doi : 10.1016 / j.bioelechem.2015.07.004
  17. ^ Гарсия-Муньос, Дж. И др. « Производство электроэнергии микроорганизмами на границе раздела отложения и воды в экстремально кислом микромире ». Международная микробиология, т. 14, вып. 2, 2011, с. 73-81.