بررسی امکان تولید الکتریسیته از گیاهان زنده

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 41، تابستان 96

بررسی امکان تولید الکتریسیته از گیاهان زنده

فروزان وکیلی[1]^*

forouz.vakili@gmail.com

لعبت تقوی[2]

ابراهیم علائی[3]

چکیده

محدودیت منابع انرژی فسیلی در کنار پتانسیل بالای آلایندگی، جایگزینی آن­ها با منابع پاک و تجدید پذیر را ضروری نموده است.  امروزه سهم این گروه از منابع در سیستم تأمین انرژی جهان رو به افزایش است. در این ارتباط، می­توان با الهام از طبیعت فناوری نوینی برای استفاده از گیاهان جهت تولید برق توسعه داد که در آینده نزدیک توان تولید انرژی پاک از نور خورشید با استفاده از سیستم­های زنده گیاهی و فرآیند فتوسنتز را پایه گذاری نماید.

اساس کار برای تبدیل انرژی خورشید به برق، برمبنای همکاری و تعامل بین گیاهان و باکتری­ها و با استفاده از پیل­های سوختی میکروبی- گیاهی می­باشد. این پیل­ها قادرند انرژی حاصل از فعل و انفعالات در ناحیه نزدیک به ریشه گیاه (ریزوسفر ) که در نتیجه فعالیت ریزسازواره­های موجود، تولید می­گردد را جذب و پس از انتقال به پیل­ها به انرژی الکتریکی تبدیل نمایند. ایده اصلی برای این کار تولید مواد آلی، غالباً به شکل کربوهیدرات، توسط گیاهان(ریزودپوزیت­ها) می­باشد که باکتری­ها قادرند با استفاده از آن­ها به­عنوان منبع تغذیه، انرژی موجود در آن­ها را به الکتریسیته(جریان برق) تبدیل نمایند. این امر، علاوه بر امکان استفاده مداوم از انرژی نورانی خورشید در تولید برق، به دلیل کاهش انتشار گازهای گل­خانه­ای و سایر آلاینده­ها، رضایت علاقمندان به محیط زیست را نیز به همراه خواهد داشت. بر این اساس، در مطالعه حاضر مروری کوتاه بر مشخصات و نحوه عملکرد پیل­های سوختی میکروبی- گیاهی در تولید “برق سبز" از گیاهان زنده، صورت گرفته است.

کلمات کلیدی: برق سبز، پیل سوختی میکروبی_گیاهی، پیل سوختی فتوسنتزی،  بیو کاتد میکروبی، ریزودپوزیت.

مقدمه

منابع انرژی فسیلی مانند نفت، گاز و زغال سنگ سرانجام روزی به پایان خواهند رسید و با پایان گرفتن آن تمدن بشری که بستگی مستقیم به انرژی دارد، دچار چالشی جدید و بزرگ خواهد شد. ازسوی دیگر سوخت­های فسیلی دارای معایب فراوان از جمله آلودگی محیط زیست و گرمایش جهانی می­باشند (1). لذا، شناسایی و معرفی منابع پاک و ­ تجدید پذیر انرژی ضروری می­­گردد. این امر سبب شده است که کشورهای توسعه یافته صنعتی با جدیت هر چه تمام­تر استفاده از سایر انرژی­های موجود در طبیعت به خصوص انرژی­های تجدید شونده را مورد توجه قرار دهند. استفاده از انرژی خورشید، باد و امواج، زمین­گرمایی، هیدروژن، زیست توده و ... که به انرژی­های تجدیدپذیر موسومند، مستلزم مطالعات و تحقیقات فراوانی می­باشد که قبل از استفاده باید انجام گیرد(2) .

خورشید، منبع عظیم تأمین انرژی­ در کره زمین است. انرژی خورشیدی که در یک ساعت به زمین می­تابد برابر10²⁰× 3/4 ژول می­باشد در حالی­که کل انرژی که در مدت یک سال در سیاره ما مصرف می­شود برابر 10²⁰× 1/4 ژول می­باشد(1). تنها مقدار کمی از تابش خورشید بر روی زمین به انرژی قابل استفاده و مفید تبدیل می­شود. گیاهان و فرآیند تولیدگیاهی (فتوسنتز) یکی از موارد جذب و مصرف انرژی خورشید و تولید ماده آلی و انرژی می­باشند. انرژی زیستی که در  زیست توده[4] گیاهی جای گرفته از منبع خورشید منشأ گرفته و احتمالاً درآینده میزان قابل توجهی از تولید انرژی تجدید پذیر را شامل می­شود. مزیت عمده تولید انرژی از گیاهان، تجدید پذیر بودن آن و عدم تولید گازهای گل­خانه­ای می­باشد. بررسی­ها نشان داده که 70 درصد مواد آلی تولید شده در نتیجه عمل فتوسنتز توسط خود گیاه استفاده نمی­شود و از طریق ریشه­ها در زمین و فضای اطراف پخش می­شود. گیاهان و ریز سازواره­ها منابع مناسبی برای تولید انرژی هستند ولی برای بهره­برداری انرژی تولیدی از آن­ها، نیاز به ابزارهایی است تا بتوان به­وسیله آن­ها، انرژی تولیدی توسط این موجودات را در اختیار و کنترل قرار داد. یکی از مهم­ترین این ابزارها، "پیل­های سوختی میکروبی"[5] می­باشند. گیاهان در حین فتوسنتز، انرژی نورانی را جذب می­کنند. در این فرآیند CO₂  و H₂O نیز جذب و تبدیل به پیوندهای شیمیایی موجود در ساختار مواد تولیدی می­شوند. بخشی از این انرژی ذخیره شده شیمیایی در مواد بیوسنتزی از  ریشه به خاک منتقل می­شود. انرژی منتقل شده به خاک، توسط باکتری­هایی که "باکتری­های فعال الکتروشیمیایی" نامیده می­شوند، مصرف می­شود. این ریزسازواره­ها[6] قادر به اکسیداسیون ماده آلی و انتقال الکترون­های غنی از انرژی به سمت الکترود می­باشند. انرژی منتقل شده توسط الکترون­ها به­­­ انرژی الکتریکی تبدیل شده و سپس الکترون­ها در الکترود دیگر برای تشکیل آب با اکسیژن ترکیب می­شوند. این فناوری، "پیل­ سوختی میکروبی- گیاهی"[7] نام دارد.

بر همین اساس، با قرار دادن تعدادی حامل یا الکترود در اطراف ریشه گیاهان، انرژی حاصل از فعل و انفعالات در ناحیه ریزوسفر، جذب و پس از انتقال به پیل­ها به انرژی الکتریکی تبدیل می­شود. این پیل­ها قابلیت استفاده در هر ابعادی را دارند. بررسی­ها نشان داده که گیاهان موجود  در فضای 15 متر مکعبی، توانایی تولید انرژی برای مصرف یک کامپیوتر همراه را دارند. دانشمندان معتقدند که با استفاده از این روش و کاشتن گیاهان در سقف یک خانه می­توان تقریباً 50 درصد از برق مورد نیاز آن را تأمین نمود.

این تکنولوژی در همه سطوح قابل استفاده می­باشد. یعنی می­توان بر روی سقف­های ایزوله و یا منابع آب راکد به کاشتن گیاهان مبادرت نمود و در مقیاس بزرگ­تر، این روش برای استفاده در شالیزارها و تالاب­ها که از نظر پوشش گیاهی غنی هستند، به کار گرفته می­شود و هم­زمان می­توان از این محیط­های سبز هم به عنوان منبع غذایی و هم به عنوان منبع تولید برق استفاده نمود(3).  هدف از مقاله حاضر مروری بر نحوه استحصال برق از گیاهان سبز ( زنده) می­باشد.

1-روش شناسی

1-1-معرفی پیل­های سوختی میکروبی

پیل سوختی میکروبی برای تولید برق زیستی[8] از زیست توده باکتریایی مورد استفاده قرار می­گیرد. برای اولین بار در سال 1911 بود که مشخص گردید باکتری­ها قادرند در نتیجه تجزیه مواد آلی آثار الکتریکی ایجاد نمایند. ولی در سال 1966 بود که به صورت عملی روی این مسأله کار شد. امروزه، پس ازگذشت 100سال، این اثر الکتریکی که ناشی از عملکرد چندین سیستم بیوالکتروشیمیایی می­باشد، تقریباً در تمام امور زندگی، مواردی نظیر تصفیه فاضلاب، تولید الکتریسیته و یا بازیافت شیمیایی، بکار گرفته می­شود(4).

در اوایل دهه 1990 پیل­های سوختی بسیار مورد توجه قرار گرفته و تحقیقات روی پیل­های سوختی میکروبی برای تولید برق زیستی از زیست توده باکتریایی، که  در آن ریز سازواره­ها به­ عنوان کاتالیست عمل می­نمایند، آغاز شد. در طی سال­های اخیر، شاهد افزایش قابل توجه میزان تولید جریان الکتریکی و برداشت الکتریسیته توسط پیل­های سوختی میکروبی می­باشیم. علاقه به این سلول­های سوختی جهانی بوده و تحقیقات زیادی در کشورهای مختلف در این زمینه صورت گرفته است، تا آخر سال 2009 به ترتیب کشورهای ایالات متحده آمریکا، چین و کره جنوبی بیش­ترین تعداد مقالات را در زمینه پیل­های سوختی میکروبی به چاپ رسانیده­اند(4).

یک پیل سوختی میکروبی از آند و کاتد در یک یا دو اتاقک تشکیل شده است. ریز سازواره­ها در نیم پیل آندی رشد کرده، ماده آلی موجود در گهرمایه[9] (سوبسترا ) را اکسید نموده و سپس الکترون­های تولید شده توسط یک سری آنزیم­های مربوط به تنفس سلولی، در داخل سلول انتقال پیدا کرده و منجر به ایجاد انرژی می­گردد. این الکترون­ها در نهایت، به آخرین پذیرنده الکترونی رسیده، آن را احیا می­کنند. به عنوان مثال اکسیژن به عنوان آخرین پذیرنده الکترون، می­تواند طی واکنش کاتالیزوری بین الکترون­ها و پروتون­ها، به آب احیا شود. بسته به نوع اکسید کننده­ای ( پذیرنده الکترون) که در کاتد استفاده می­شود، عمل احیا در کاتد منجر به تشکیل آب از اکسیژن، گاز نیتروژن از نیترات، آهن دو ظرفیتی از آهن سه ظرفیتی گشته و با اعمال انرژی اضافه روی الکترون­ها، احیا الکترون­ها به پروتون و هیدروژن صورت گرفته که این فرآیند احیا  می­تواند به طریق  شیمیایی یا با کمک ریز سازواره­هایی که در کاتد فعال می­باشند، انجام شود(5). 

شکل1-نمای مفهومی یک پیل سوختی میکروبی(6)

1-2-اساس کار پیل­های سوختی میکروبی

در پیل سوختی میکروبی نیم پیل­های واکنش آندی و کاتدی توسط یک غشای انتقال دهنده پروتون از یکدیگر جدا شده و به­وسیله مدار خارجی با یکدیگر در ارتباط هستند.
در نیم پیل آندی ریز سازواره­ها به همراه کربوهیدرات­هایی مثل گلوکز و جفت کننده­های اکسایس- کاهش[10]  یا واسطه­گرهای الکترونی وجود دارند. ریز سازواره­ها منبع کربوهیدراتی را تجزیه نموده و الکترون­های تولید شده توسط این واکنش را در یک سری واسطه­ها  مانند [11]NADH   و یا در طی زنجیره انتقال الکترون در میتوکندری، ذخیره می­کنند. واسطه­گرهای الکترونی احیا شده یا اکسایش- کاهشی به داخل سلول ریزسازواره نفوذ کرده و با فعالیت­ متابولیکی معینی که دارند با اکسیژن بر سر اکسید کردن این الکترون­ها رقابت کرده و پس از احیا، از دیواره سلولی ریز سازواره­ها به داخل محلول بافری انتشار یافته و در نهایت الکترون­هایشان را به آند انتقال می­دهند. این الکترون­ها در کاتد توسط پذیرنده الکترون جذب و جریان کامل می­شود.

شکل2- مکانیزم عمل یک پیل سوختی میکروبی(1)

لازم به ذکر است که برای فرآیندهای بیولوژیکی وجود  گهرمایه  بسیار مهم است زیرا منبع کربن ( ماده مغذی) و انرژی را برای آن فرآیند فراهم می­کند. پیل­­های سوختی میکروبی می­توانند از موادی مانند رسوبات، مواد آلی موجود در  فاضلاب مانند ترکیبات فنلی و نیز ضایعات کشاورزی به عنوان گهرمایه برای تولید الکتریسیته استفاده نمایند،  به­طوری که در کنار تولید الکتریسیته هدف دیگر این سیستم­ها از بین بردن آلاینده­هایی مثل نیترات­ها، سولفیدها و سولفات­ها می­باشد.

کارآمدی، صرفه اقتصادی و تداوم تبدیل پس­ماندهای آلی به بیو­انرژی به نوع، ترکیب شیمیایی و غلظت اجزای تشکیل دهنده آن ماده پسماند بستگی دارد. در پیل­های سوختی میکروبی، گهرمایه­ای که تجزیه می­شود عامل مهمی است که در تولید الکتریسیته تأثیر می­گذارد. طیف متنوعی از گهرمایه­ها در پیل­های سوختی میکروبی برای تولید الکتریسیته، مورد  استفاده قرار می­گیرند که تعدادی از آن­ها شامل: استات، گلوکز، بیومس لیگنوسلولزی، مخلوط مواد آلی موجود در فاضلاب­ صنایع مختلف مانند آبجوسازی، فرآورش نشاسته، رنگ، سلولزی، مواد معدنی و سایر مواد می­باشد.

شکل 3 انواع پیل­های سوختی مورد استفاده در مطالعات آزمایشگاهی و شکل 4 انواع مورد استفاده در عملیات پیوسته و بزرگ مقیاس را نشان می­دهد(7). اشکال A-3 و F-3، مدل­های پر مصرف و ارزان یک پیل سوختی میکروبی در مقیاس آزمایشگاهی و به شکل H را نشان می­هند که متشکل از دو محفظه شیشه­ای و یک لوله رابط، حاوی غشا تعویض کاتیون[12] و با هدف نفوذ انتخابی پروتون­ها[13]، می­باشد. علاوه بر ساختار پیل به شکل دو محفظه جدا، برای ایجاد سطوح بزرگ­تر می­توان آن­ها را به­شکل صفحات بهم فشرده و در دو طرف  یک غشا، به یکدیگر متصل نمود (شکل B-3).

شکل3-اشکال مختلف پیل­های سوخت(7)( (A) سیستم ساده شامل پل نمکی (با پیکان مشخص شده) (B)
سیستم چهارتایی صفحه­ای، جدا شده توسط غشا (C) مشابه (B) ولی با جریان دایمی از آند با ماتریس گرانوله گرافیت و محفظه بسته آند و کاتد(D) نوع فتو هتروتروفی از پیل­های سوختی(E) سیستم تک محفظه با کاتد هوا به شکل لوله(F) سیستم دو محفظه­ای (H-Type) و غشا پخش گاز

شکل4-اشکال مختلف پیل­های سوختی برای عملیات پیوسته(7): (A)پیل سوختی میکروبی لوله­ای با جریان رو به­بالا با آند به شکل بستر گرافیتی و کاتد احاطه کننده در سطح بیرونی، (B) پیل سوختی میکروبی لوله­ای با جریان رو به­بالا،آند در زیر و کاتد در بالاو غشا شیب دار، (C) مدل صفحه مسطح با تقسیم محفظه به بخش­های کوچک و عبور مایع به شکل مارپیچ در بین الکترودها، (D) سیستم تک محفظه با کاتد هوا احاطه شده توسط محفظه آند به شکل میله­های گرافیتی،  (E) بسته پیل سوختی حاوی شش پیل مجزادر یک واحد رآکتوری

1-3-پیل­های سوختی میکروبی فتوسنتزی[14]

پیل سوختی میکروبی فتوسنتزی سیستمی است که در آن
نور خورشید طی یک واکنش متابولیکی در پیل سوختی میکروبی به انرژی الکتریکی تبدیل می­شود. یکی از مزایای عمده این پیل­ها نسبت به پیل­های سوختی میکروبی معمولی توانایی حذف گاز دی اکسید کربن از محیط می­باشد. در این نوع از پیل­ها، از ریز سازواره­های فتوسنتز کننده استفاده
می­شود که پیل سوختی را با واکنش­های فتوسنتزی جفت
می­کنند. اصول کار این پیل همانند یک پیل سوختی میکروبی می­باشد، با این تفاوت که این پیل از ترکیبات حاصل از فتوسنتز نیرو گرفته و انرژی الکتریسیته را از  فرآیند فتوسنتز  و در نتیجه  تجزیه کربوهیدرات­های داخل سلولی در طول روز و همچنین تجزیه ( به تنهایی) در شب تولید می­کند. در نیم پیل آندی باکتری­های فتوسنتزی CO₂ و H₂O را به O₂ و کربوهیدرات (مانند گلوکز) تبدیل می­کنند. الکترون­ها در نهایت ازطریق مدار خارجی به نیم پیل کاتدی رسیده و در آنجا پذیرنده نهایی الکترون را احیا می­کنند. پروتون­هایی که از غشای انتقال دهنده پروتونی عبور کرده و از آند به کاتد آمده­اند با O₂ و الکترون­ها، ترکیب شده و H₂O  آزاد می­کنند. انواع پیل­های سوختی میکروبی فتوسنتزی، عملکرد­های متفاوتی دارند، نظیر:

• باکتری­های فتوسنتزی در آند به همراه
  واسطه گرهای مصنوعی[15]
• باکتری­های فتوسنتزی تولید کننده هیدروژن به همراه آند الکتروکاتالیست[16]

شکل5- شماتیک پیل سوختی میکروبی فتوسنتزی شامل باکتری­های فتوسنتزی تولید کننده هیدروژن به همراه بیوکاتالیست(1)

• فتوسنتز جفت شده با ترکیبی از باکتری­های هتروتروف موجود در آند شامل:

ü      رابطه هم­افزایی بین ریز سازواره­های فتوتروف و ترکیبی از باکتری­های هتروتروف موجود در رسوبات[17]

ü      رابطه هم­افزایی بین گیاهان و ترکیب باکتری­های هتروتروفی موجود در رسوبات

ü      جفت شدن خارجی فتوسنتز با مخلوطی از باکتری­های فتوتروفی در یک آند تاریک[18]

ü      انتقال مستقیم الکترون بین باکتری­های فتوسنتزی و الکترود[19]

ü      فتوسنتز در کاتد برای تأمین اکسیژن[20]

با توجه به هدف مورد نظردر این مطالعه، به بررسی رابطه
هم­افزایی بین گیاهان و ترکیب باکتری­های هتروتروفی موجود در رسوبات پرداخته خواهد شد.

1-3-1-  تولید برق با استفاده از رابطه هم­افزایی بین گیاهان و ترکیب باکتری­های هتروتروفی موجود در رسوبات

سیستم­های متداول تولید بیوانرژی مثل برق سبز[21] یا زیستی با استفاده از منابع زیست توده، بیو اتانول و بیو دیزل، در کنار تمام مزایا، معایبی نیز دارند. این سیستم­ها، برای تولید انرژی به  زمین­های قابل کشت، کود و رسیدگی نیاز دارند و از طرفی،  بخشی از محصول مزارع به­جای رفع نیازهای غذایی انسان ، برای تولید این سوخت و انرژی مورد استفاده قرار گرفته و به­این ترتیب امنیت غذایی انسان  با تهدید مواجه می­گردد.

علاوه بر این، سیستم­های مذکور، به­منظور فرآورش و تولید سوخت  به خوراک ورودی و انرژی اضافی نیاز داشته و به­دنبال آن احتمال تولید ترکیبات جانبی  ناخواسته در طی فرآیند تبدیل و در نتیجه آلودگی محیط زیست، وجود خواهد داشت. ولی پیل­های سوختی میکروبی- گیاهی  این معایب را نداشته و بازده بیش­تری نیز دارند. در این سیستم­ها ریشه گیاهان زنده در قسمت آندی پیل سوختی میکروبی وارد می­شود. تولید انرژی با این روش بر دو فرآیند استوار است:  ابتدا "تولید ترکیبات آلی به­وسیله گیاهان "[22] در حین فرآیند فتوسنتز و سپس "تولید انرژی الکتریکی از این ترکیبات توسط ریزسازواره­ها". برگ­ گیاهان، نور خورشید را جذب کرده و ضمن فرآیند فتوسنتز، دی­اکسید کربن را به شکل کربوهیدرات تثبیت می­کند. متناسب با نوع، سن و شرایط محیطی، گیاهان تا 60% کربن تثبیت شده خود را از برگ­ها به ریشه انتقال می­دهند. سیستم ریشه­ای گیاهان ترکیبات آلی مختلفی را تولید و در خاک آزاد می­کنند، این ترکیبات شامل: قندها، اسیدهای آلی، کربوهیدرات­های پلیمری، آنزیم­ها، مواد حاصل از سلول­های مرده و گازهای اتیلن و CO₂می­باشد. فرآیند آزادسازی ترشحات ریشه­ای، "ریزودپوزیشن"19 و به فرآورده­های آن "ریزودپوزیت"[23] گفته می­شود. ریزودپوزیت­ها حدود 40% بازدهی گیاهان فتوسنتزی را به خود اختصاص داده و می­توانند به عنوان یک منبع بزرگ سوختی برای تولید الکتریسیته در پیل­های سوختی میکروبی- گیاهی نوع رسوبی استفاده شوند. این پیل­ها برای تولید برق به صورت "در جا" عمل نموده و به  جابه­جایی و جمع آوری زیست توده در محیط نیازی ندارند، علاوه بر این از یک منبع تجدید پذیر انرژی استفاده کرده و در طی تولید انرژی در این سلول­های سوختی، گاز گل­خانه­ای تولید نمی­گردد. همچنین این پیل­ها می­توانند بدون تخریب طبیعت، در محیط­های طبیعی مانند تالاب­ها مورد استفاده قرار گیرند. در این ارتباط، محققان گیاه " شیرین چمن یا شکرین "[24] (گلیسریا ماکسیما) را به­عنوان مدل انتخاب کرده و به تولید انرژی بیشینه، تا mW/m² 67 رسیده­اند.

در این قبیل پیل­های سوختی، همبستگی مستقیمی بین فعالیت فتوسنتزی و تولید انرژی الکتریکی وجود دارد، به این صورت که در ضمن فرآیند فتوسنتز میزان ترشحات ریشه­ای (ریزودپوزیت) تولیدی گیاه افزایش یافته و در فرآیند تولید انرژی الکتریکی، مواد تولید شده طی فاز فتوسنتز مصرف می­گردند. مطالعات نشان می­هند که میزان تولید ریزودپوزیت­ها با افزایش مصرف آن­ها، افزایش می­یابد.  در برآوردهای اولیه، کارآیی پیل­های سوختی در تولید انرژی خالص در آب و هوای اروپای غربی (هلند، بلژیک و فرانسه)  به طور تئوری برابر GJ ha^-1year^-121 تخمین زده شده بود،  در حالی­که چند سال بعد کنسرسیوم تحقیقات بین رشته­ای اروپا مقدار نیروی تولیدی توسط پیل­های سوختی میکروبی- گیاهی را تا حد GJ ha^-1year^-11000 برآورد نمود(1).

لازم به توضیح است که پیل­های  سوختی میکروبی گیاهی هنوز با مشکلاتی برای افزایش مقیاس از آزمایشگاه روبرو می­باشند.  عملکرد این قبیل پیل­ها تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد. از جمله می­توان به واکنش کاتدی،  ترکیب گهرمایه، سیستم بافری، و درجه حرارت عملیات اشاره نمود (8). فلزات مختلفی به­طور آزمایشی برای تسریع واکنش­های کاتدی بکار گرفته شده­اند اما مشخص شده که احیا اکسیژن در کاتد، اصلی­ترین عامل محدود کننده در بحث پیل­های سوختی میکروبی می­باشد. در این خصوص مطالعاتی در زمینه
امکان استفاده و توسعه کاربرد بیوکاتدهای میکروبی کاهنده اکسیژن و نیز استفاده از مواد اصلاح کننده سطح به­منظور بهسازی الکترودها و عملکرد بیوفیلم انجام گرفته است. نتایج نشان می­دهد که این عمل  با نشاندن بار مثبت بر روی الکترود و افزایش احتمال جذب الکترواستاتیکی باکتری­های با بار منفی، در افزایش اتصال بیو فیلم تأثیر داشته است و همچنین به­کار گرفتن ضخامت مناسب از اصلاح کننده سطح، نقش مهم و اساسی در اخذ نتایج مطلوب دارا می­باشد. علاوه بر این، بهترین شرایط عملیاتی در pH حدود 5 و دمای ^oC 31 به­دست آمد. بیوکاتدهای کاهنده اکسیژن تا چندین ساعت در مقابل تغییرات pH و دما مقاوم می­باشند(9).

1-3-2-انتخاب گیاهان برای استفاده در تولید برق

گیاهان، قهرمانان بی چون و چرای استفاده ازانرژی خورشیدی هستند. پس از میلیارد‌ها سال تکامل، بیش‌تر آن‌ها با بازدهی صد درصدی کار می‌کنند، بدین معنا که به هر اندازه که یک گیاه از نور خورشید فوتون دریافت می‌کند به همان مقدار نیز الکترون تولید می‌کند. گیاهان در حین عمل فتوسنتز، از نور خورشید برای تجزیه مولکول‌های آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده می‌کنند که به تولید الکترون می‌انجامد.

استفاده ازسیستم  پیل­های سوختی میکروبی- گیاهی این امکان را فراهم می­کند که الکتریسیته را در محل بدون نیاز به چیدن یا درو نمودن گیاهان و به طور شبانه روزی، تولید نمود. تولید برق با این روش  بدون تولید هر گونه گازهای حاصل از احتراق بوده، علاوه بر اینکه از لحاظ تولید گاز کربن دی اکسید خنثی می­باشد، باعث کاهش نشر متان نیز می­گردد. مطالعات انجام شده در کشورهای اروپایی نشان می­دهد چنان­چه از این فناوری به­طور صحیح استفاده گردد، می­توان تا 20% انرژی الکتریکی مورد نیاز در اروپا را با این روش تأمین نمود(9).

نتایج حاصل از مطالعات گیاه­شناسی حاکی از این است که بعضی ازانواع گیاهان می­توانند در پیل سوختی میکروبی – گیاهی کاشته شوند ولی بعضی این قابلیت را ندارند و یا رشد اندکی خواهند داشت (10). همچنین نشان داده شده که علاوه بر مواد مترشحه از گیاه، بخش­های مرده گیاهی مانند ریشه­های مرده، منابع مهم تأمین سوخت برای فرآیند پیل سوختی میکروبی- گیاهی می­باشند (11). 

استفاده از گونه­های گراس (گندمیان) به­طور خاص در این فرآیند توصیه می­گردد. همچنین تالاب­ها در صورت  بکارگیری این روش، پتانسیل تبدیل به یک فناوری بزرگ مقیاس تولید الکتریسیته را دارند. انرژی اولیه مورد نیاز فرآیند از "ریزودپوزیشن "، نظیر مواد مترشحه از ریشه و یا ریشه­های مرده تأمین می­گردد. در نتیجه عملکرد فرآیند به­شدت وابسته به نوع گیاه، ساختار ریشه و ترکیب میکروبی محیط می­باشد، به گونه­ای که تجزیه هیدروکربن­های کوچک مولکول تولید شده توسط ریشه گیاه، به طور خاص، با عملکرد بالای 70% منجر به تولید الکترون می­گردد. چنان­چه در این فناوری از پیل­های سوختی میکروبی صفحه­ای تخت با مقاومت داخلی Ω.m²  0.1 استفاده گردد، باعث تولید جریان خروجی با بیش­ترین مقدار تئوری  خواهد شد.

به­دلیل لزوم وجود شرایط غرقابی برای تداوم فعالیت پیل­های سوختی میکروبی، و به­منظور بررسی شرایط بهینه رشد گیاه و آزاد شدن کربن آلی از ریشه در این شرایط، سه گونه گیاه با قابلیت رشد درمحیط­های غرقابی مورد بررسی قرار گرفته­ا­ند. این گونه­ها عبارتند از:

• علف قناری   [25](گیاه بومی اروپای مرکزی)
• شیرین چمن [26]   (گیاه بومی اروپای مرکزی)
• برنج[27]  (قابل کشت در سراسر جهان)

در پیل­های سوختی میکروبی طراحی شده با این گیاهان، به­طور نسبی مقادیر  برق و نیز زیست توده بیش­تری تولید گردید به طوری که به تناوب کم­تری برای درو نیاز بود.

این گیاهان همگی از خانواده گندمیان ( گراس) می­باشند و می­توان در زمینه بکارگیری پیل سوختی میکروبی- گیاهی،  به استفاده  انواع مناسب این گونه­ها، تأکید نمود(7).

از سوی دیگر، اکوسیستم­های تالابی به­دلیل غنی بودن در محتوی ماده آلی  و بالا بودن میزان زیست توده گیاهی خود منحصر به­فرد هستند. از این منبع ماده آلی می­توان به­عنوان گهرمایه در پیل­های سوختی میکروبی از نوع گیاهی برای تولید الکتریسیته، استفاده نمود. یک تیم تحقیقاتی مکزیکی بر روی امکان تولید برق با این روش، در نواحی گرمسیری و بر روی گیاه تالابی لوئی[28]  بررسی­هایی را انجام دادند. پیل­های سوختی مذکور که با استفاده از سلول­های شیشه­ای و الکترودهای گرافیتی ساخته شده بودند در شرایط محیط طبیعی بکار گرفته شدند.  نتیجه بررسی پس از یک دوره، حاکی از افزونی جریان تولیدی به میزان 18% و توان تولیدی به میزان 42% نسبت به نمونه کنترل فاقد گیاه، بود(12). تالاب­ها یکی از منابع اصلی تولید  و ورود گاز متان به اتمسفر می­باشند. مطالعات نشان می­دهند که استفاده از پیل­های سوختی میکروبی رسوب-گیاه در تالاب­ها، علاوه بر تولید برق به کاهش نشر گاز متان نیز کمک می­نماید. تولید برق با کمک  پیل سوختی میکروبی- گیاهی، می­تواند گزینه خوبی برای کاهش نشر متان از تالاب­ها ­باشد که می­تواند در کنار سایر استراتژی­های کاهش نشر بکار گرفته شود(9).  برای دست­یابی به این هدف، تمام عناصر تشکیل دهنده فرآیند نظیر گیاه، اجتماعات میکروبی ریشه و فناوری پیل سوختی باید بهسازی شده و ارتقا یابند. به­عنوان مثال، بررسی­ها حاکی از این است که با بهینه سازی نسبت مصرف کربن گرانول در آند و نیز تنظیم میزان کربن آلی، بیش­ترین میزان تولید برق و کم­ترین میزان متان­زایی در تالاب­ها را خواهیم داشت.

بحث و نتیجه گیری

بی شک انرژی در زندگی و حیات انسان نقش بسیار مهمی ایفا می­کند تا جایی­که بسیاری از کارشناسان بر این باورند که رشد اقتصادی در گرو دست­یابی به راهکارهایی برای مقابله با بحران انرژی می­باشد. منابع تأمین انرژی را می­توان در 3 گروه عمده انرژی­های فسیلی، انرژی هسته­ای و انرژی­های تجدید پذیر( باد، خورشید، و ...) طبقه بندی کرد. تلاش برای کاهش وابستگی به سوخت­های فسیلی که نتیجه استفاده از آن انتشار گازهای گل­خانه­ای است از یک­سو، و ذخایر رو به کاهش سوخت­های فسیلی از سوی دیگر، در سال­های اخیر به یک چالش بین­المللی تبدیل شده است. لذا،  استفاده از دو دسته دیگر، یعنی منابع انرژی هسته­ای و انرژی­های تجدید پذیر ضروری می­گردد.

 استفاده از منابع انرژی­های تجدید پذیر، نه آلودگی­ها و تخریب­های محیط زیستی انرژی­های فسیلی و هسته­ای را دارند و نه پایان پذیر و تمام شدنی هستند، از این رو دانشمندان در کشورهای مختلف در صدد یافتن راه­های جدیدی برای استفاده از منابع انرژی­های تجدید پذیر هستند و تدوین و ارایه راهبردهایی برای استفاده بیش­تر از این منابع ضروری می­گردد. در این راستا، بسیاری از محققان در سراسر دنیا در تلاشند که از انرژی خورشیدی به­عنوان یک منبع تجدیدپذیر استفاده نمایند. نتایج به­دست آمده از سال­ها تحقیق و مطالعه نشان می­دهد گیاهان یکی از مهم­ترین و بهترین گزینه­های موجود در سطح زمین برای به­دام انداختن انرژی خورشیدی، از طریق فرآیند فتوسنتز، هستند. در شرایط طبیعی، باکتری­هایی که در مجاورت ریشه گیاهان زندگی می­کنند بقایای مواد آلی گیاهی را تجزیه کرده و در نتیجه، الکترون­ها در ضمن فرآیند فتوسنتز آزاد می­شوند. اگر بتوان الکترودی را در چنین محیطی قرار داد، می­توان این الکترون­ها را جذب کرده و در نتیجه نیروی الکتریکی تولید کرد. گروهی از محققین در کشور هلند نشان داده­اند که با کمک پیل­های سوختی میکروبی- گیاهی می­توان به این مهم دست یافت و استفاده از این پیل­ها، یکی از راه­های جذب انرژی خورشید و تبدیل آن به جریان الکتریکی می­باشد. با استفاده از این فناوری می­توان در حالیکه گیاه به رشد خود ادامه می­دهد، انرژی تولید نمود. ویژگی مهم این روش این است که در رشد گیاه اختلالی ایجاد ننموده و در نتیجه تهدیدی برای محیط زیست نخواهد بود. علاوه بر این در زمین­های کشاورزی با فرآیند تولید غذا رقابت نکرده و تهدیدی برای امنیت غذایی محسوب نمی­شوند  و همچنین تولید انرژی با این روش وابسته به وضعیت آب و هوا نیست و می­توان در تمام حالات به تولید انرژی پرداخت.

اگرچه نیروی خروجی از این پیل­ها به میزان 3 تا 5 برابر کم­تر  از سایر منابع تجدید پذیر نظیر توربین­های بادی و صفحات خورشیدی است، ولی بعضی از آثار نامطلوب و مضرات ناشی از استفاده از فناوری­های مذکور نظیر مرگ و میر پرندگان، افزایش سطوح تاریک  و استفاده از فلزات آلوده کننده را نیز ندارند. به­دلیل تولید انرژی پاک و دارا بودن کم­ترین  میزان مضرات و آلودگی­های محیط زیستی،  این روش بسیار مورد توجه قرار گرفته­ است. بکار گیری این پیل­ها را می­توان در ابتدا از سقف­های مسطح در مناطق دور افتاده در کشورهای در حال توسعه شروع کرد تا پس از امکان پذیر شدن اجرای آن در مساحت­های بزرگ­تر، رویای شبکه انرژی مرکزی در مناطق باتلاقی به حقیقت بپیوندد.

لذا، توصیه می­گردد که با بهبود ساختار  و وضعیت رآکتورها،  اصلاح مواد مورد استفاده در ساخت الکترودها، بهبود کاتالیست­های میکروبی، کاهش مقاومت اهمی و سایر اقدامات اصلاحی بتوان موجبات بهبود در عملکرد پیل­های سوختی میکروبی- گیاهی را فراهم نمود. ازسوی دیگر ازآنجا که گیاهان کشت آسانی داشته و  در مساحت زیاد قابل پرورشند، می­توان از رابطه هم­افزایی بین گیاهان و ریز سازواره­ها برای ارتقا و افزایش عملکرد پیل­های سوختی فتوسنتزی در تولید انرژی الکتریکی استفاده نمود. این پیل­ها می­توانند در همه ساعات شبانه روز انرژی الکتریکی تولید کنند، بنابراین به­نظر می­رسد که بتوان در آینده این پیل­ها را برای دستگاه­هایی که نیاز به روشن بودن 24 ساعته داشته ولی در عین حال به انرژی ورودی کمی نیازدارند ( مانند سنسورها) مورد استفاده قرار داد(1).

انرژی تولیدی توسط این روش، جریان برق مستقیم با ولتاژ نسبتاً پایین است که می­توان به طور مستقیم از آن برای شارژ باطری­ها و همچنین روشن کردن چراغ­های LED استفاده نمود. در صورتی که دانشمندان بتوانند فناوری‌هایی مانند مهندسی ژنتیک را برای افزایش ثبات سیستم‌های فتوسنتز گیاه به کار برند و عملکرد تولید الکتریسیته را افزایش دهند، این فناوری  قادر خواهد بود در آینده با پنل‌های خورشیدی رقابت نماید.

با اینکه آینده این روش از منظر فناوری، محیط زیستی و اقتصادی بسیار نوید بخش می­باشد اما هنوز مشکلاتی نیز وجود دارد و در حال حاضر  از لحاظ قیمت قابل رقابت با  توربین­های بادی و پیل­های خورشیدی نبوده و لازم است تحقیقات مداوم  برای ارتقاء کارآیی روش و بهینه سازی تولید انرژی و مصرف مواد، صورت گیرد.

 علاوه بر نیاز به تحقیقات بنیادی، افزایش مقیاس تکنولوژی چالش بعدی است(5). محققان نیز به این امر اذعان دارند که استفاده از این ایده در ابتدای راه قرار داشته و راه درازی تا تولید در مقیاس انبوه و تجاری از این روش، باقی مانده است.

نظر به وجود مواهب طبیعی و جوامع گیاهی نظیر اکوسیستم­های حرا در استان­های هرمزگان، سیستان و بلوچستان و بوشهر، که  با وسعت قابل توجه، مهم­ترین پوشش گیاهی منطقه را تشکیل می­دهد و همچنین جامعه علف­های دریایی در این مناطق که یکی دیگر از جوامع گیاهی قادر به فتوسنتز و با اهمیت در منطقه محسوب می­گردد(13) از یک­سو، و از سوی دیگر دارا بودن 587000 هکتار سطح زیر کشت برنج در ایران، که بیش از 75% آن در استان­های شمالی کشور یعنی گیلان و مازندران قرار داشته و دلیل عدم وجود سیستم­های آبیاری مناسب، معمولا بصورت غرقابی آبیاری می­گردند(14)، شرایط را برای توسعه پیل­های سوختی میکروبی فتوسنتزی در این مناطق مهیا می­کند.

پیشنهادات

تحقیقات مختلفی برای توسعه روش­های اقتصادی و کارآتر در خصوص استفاده حداکثری از انرژی و پتانسیل موجود در گیاهان، نیاز می­باشد. زیرا باید این روش به گونه­ای پیاده سازی گردد که بتواند به میزان زیادی با سایر روش­ها رقابت نموده و توجیه اقتصادی مناسبی داشته باشد. در بسیاری از موارد انتخاب ارجح استفاده از روش­های پر بازده و دارای فناوری­های متداول و پیشرفته، نظیر نیروگاه­های مبتنی بر سوخت­های فسیلی و یا سلول­های فتو ولتائیک، می­باشد اما دلایل اصلی برای استفاده از توان گیاهان زنده در تولید برق را می­توان این­گونه بیان نمود: استفاده از انرژی مازاد تولید شده از فعالیت فتوسنتز گیاهی؛ پاک و تجدید پذیر بودن آن؛ عدم تهدید امنیت منابع غذایی انسان؛ عدم تداخل در فرآیند تولید برق با سایر روش­ها، نظیر استفاده از بیومس گیاهی در تولید برق، به­دلیل عدم نیاز به چیدن و درو نمودن گیاه.

با عنایت به موارد فوق­الذکر و  در راستای عملیاتی نمودن طرح تحقیقاتی فوق در داخل کشور، موارد ذیل  پیشنهاد می­گردد:

• بومی سازی این روش و انطباق آن با شرایط اقلیمی کشور؛
• بررسی توان گونه­های مختلف گیاهان غرقابی، غیر غرقابی، شوررست و گیاهان مناطق خشک در تولید برق در کشور؛
• استفاده از دانش و تجربه متخصصین رشته­های مختلف به­منظور حداکثر بهره­گیری از پتانسیل­های طبیعی، نظیر شناسایی و تعیین توان گونه و سویه­های بومی در فرآیند، معرفی ساختار­های جدید و منطبق با دانش روز و سازگار با محیط زیست؛
• بررسی امکان استفاده از ترکیبات نانو در ساخت الکترودهای پیل سوختی میکروبی گیاهی؛
• بکارگیری گونه­های مختلف و بومی ریزسازواره­ها در تهیه بیوفیلم برای ارتقا عملکرد پیل­های سوختی میکروبی؛
• مطالعات جامع " ارزیابی چرخه عمر"[29]و نیز بررسی­های فنی- اقتصادی دقیق برای توسعه روش
• بررسی امکان پیاده سازی طرح در شالیزارها، تالاب­ها، سایر جوامع گیاهی و مناطق شهری (بوستان­های شهری، بام سبز و...) برای تولید الکتریسیته در مقیاس بزرگ، از ضروریات پیشرفت طرح می­باشد.
• پس از مشخص شدن نتایج اولیه در مقیاس آزمایشگاهی و پایلوت، ضروری است که توسعه آن با استفاده از روش­هایی مانند هزینه- فایده مورد تحلیل قرار گرفته و تأثیر بکارگیری مشوق­های مختلف در توسعه این روش در سایر کشورها و امکان پیاده سازی آن در ایران، مورد بررسی قرار گیرند. از آن­جا که این روش در سایر کشورهای پیشرفته نیز در مراحل اولیه می­باشد، تعجیل در پیاده سازی آن در کشور به­عنوان روش مکمل در تولید برق، باعث کاهش شکاف تحقیقاتی در این خصوص بین ایران و سایر کشورها خواهد گشت.

منابع

1-   رجب، شادی و بابایی پور، ولی اله، "تولید الکتریسیته از ارگانیزم­های فتوسنتز کننده و غیر فتوسنتز کننده"، دومین همایش بیو انرژی ایران ( بیو ماس و بیو گاز)، 1390، تهران- ایران

2-      سازمان انرژی­های نو،2012. گزارش چهارم، انرژی زیست توده در:

www.suna.org.ir/suna_content/media/image

3-      Strike, D. P. B. T. B., Hamelers, H. V. M., Snel J. F. H., Buisman C. J. N., 2008. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell. International Journal of Energy Research, (329): p. 870-876. (Published online in Wiley interscience.)

4-      Strike, D., Highlights of 4 years EP7 EU Plant power Project, Proceedings 2nd International Plant power Symposium, 2012. Nov. 22&23, Wageningen, the Netherlands.

5-      Strike, D.P.B.T.B., Hamelers, H.V. M., Buisman, C. J.N., 2010. Solar Energy Powered Microbial Fuel Cell with a Reversible Bio electrode. Environmental Science &Technology, 2010, 44: 532–537

6-      Surajit, D., Neelam, M., 2010. Recent developments in microbial fuel cells: a review, Journal of Scientific & Industrial Research, Vol.69, pp.727-731

7-      Logan, B. E., Hamelers, B., 2006.
Microbial fuel cells: Methodology and technology. Environmental Science & Technology, Vol.40, No. 17, pp. 5181-5192.

8-      Vaez, M., Karimi-Rad, Sh., Tavakoli, Sh., Diba, H., 2015. Microbial Fuel Cells, Features and Developments.Current World Environment, vol. 10 (Special issue1), pp. 637-643.

9-      Strike, D., Hamelers, B., PlantPower, 2013. Seventh framework programme FP7/2007-2013 in: www.plantpower.eu

10-  Helder, M., Strike, D., Hamelers, H.V.M., Kuhn, A.J., Blok, C., Buisman, C.J.N, 2010. Cocurrent bio-electricity and biomass production in three Plant-Microbial Fuel Cells using Spartina anglica, Arundinella anomala and Arundo donax, Bioresource Technology, 101(10), pp. 3541-3547

11-  Kuijken, R.C., 2011. Quantification of exudation for the plant microbial fuel cell. Communications in Agricultural and Applied Biological Sciences, Vol.76, No.2, pp.15-18

12-  Cervantes-A.R., Arocha-Acros. A.A., Ortega- Clemente L.A., 2012. Electricity generation in sediment plant microbial fuel cells(SPMFC) in warm climates using Typha domingensis Pers. Int. Research J. of Biotechnology,Vol.3, No. 9, pp.166-173

13- علایی،ا.، بیابانی، ط.، وکیلی،ف. “شناسایی عوامل مخرب محیطی تاثیرگذار بر اکو سیستم جنگل­های حرا در خلیج نایبند عسلویه و ارائه راهکارهای مناسب برای کنترل آن­ها و حفظ محیط­زیست"، پژوهشگاه صنعت نفت، زمستان 1384، صفحات 8-4.

14- سلحشور دلیوند، ف.، ناظمی، ا.ح.، یزدانی، م.ح.،" بهبود مدیریت توزیع آب در اراضی شالیزاری"، دوازدهمین همایش کمیته آبیاری و زهکشی ایران، مدیریت آبیاری در ایران، چالش­ها و چشم اندازها، اسفند 1388-  تهران- ایران.