DOI: https://doi.org/10.3389/ffunb.2025.1739847
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41624175
تاريخ النشر: 2026-01-15
المؤلف: Rice ul Islam وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الفيزيولوجيا الكهربائية للنباتات والبيولوجيا
نظرة عامة
لقد ظهرت استكشافات توليد الكهرباء الحيوية من الكائنات الدقيقة، وخاصة الفطريات، كطريق واعد لمصادر الطاقة المستدامة، خاصة لتشغيل الأنظمة الروبوتية الصغيرة. يمكن لهيكل الفطر تسهيل نقل الإلكترونات خارج الخلية، والذي يمكن استغلاله في خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) لإنتاج الطاقة النظيفة. توفر الشبكات الهيكلية الواسعة للفطريات خصائص موصلة فريدة، مما يجعلها مناسبة تمامًا للإدماج في خلايا الوقود الميكروبية المعتمدة على الفطريات (FMFCs). يجب تحسين عوامل رئيسية مثل مادة القطب، والتفاعلات الميكروبية، والظروف البيئية لتعزيز أداء FMFCs.
على الرغم من إمكانيات الكهرباء الحيوية الفطرية، لا تزال التحديات المتعلقة بكفاءة الطاقة، وقابلية التوسع، ودمج الأنظمة قائمة. يجب أن تعطي الأبحاث المستقبلية الأولوية لتحسين مواد الأقطاب والتفاعلات الميكروبية، بالإضافة إلى تحسين تصميم FMFC. علاوة على ذلك، قد يؤدي دمج الفطريات مع الأنظمة الروبوتية إلى تقدم في العمليات المستقلة، خاصة في مراقبة البيئة والروبوتات المستوحاة من الطبيعة. إن التقدم المستمر في هذه المجالات أمر ضروري لتأسيس الكهرباء الحيوية الفطرية كمصدر طاقة موثوق وصديق للبيئة للروبوتات الهجينة الحيوية، مما يساهم بذلك في الأهداف الأوسع للطاقة المتجددة وتقنيات الروبوتات المستدامة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور التحويلي للأنظمة الدقيقة المستقلة، مثل الروبوتات الصغيرة والمنصات الهجينة الحيوية، عبر مجالات متنوعة، بما في ذلك مراقبة البيئة والتشخيصات الطبية الحيوية. تعتبر نقص مصادر الطاقة المتجددة المناسبة التي تتماشى مع قيود تشغيل هذه الأنظمة عائقًا كبيرًا أمام نشرها. غالبًا ما تفشل حلول تخزين الطاقة التقليدية، مثل بطاريات الليثيوم أيون، في تلبية المعايير اللازمة من المرونة، والتوافق الحيوي، والاستدامة. في هذا السياق، ظهرت الأنظمة الكهروكيميائية الحيوية (BESs) كبدائل قابلة للتطبيق، مستفيدة من العمليات الأيضية الميكروبية لتحويل الطاقة الكيميائية الحيوية إلى طاقة كهربائية. لقد أظهرت هذه الأنظمة، وخاصة خلايا الوقود الميكروبية (MFCs)، وعدًا في توليد تيارات كهربائية مستمرة من الركائز العضوية، لكنها تواجه تحديات مثل محدودية نوعية الركيزة وانخفاض نواتج الطاقة في التطبيقات الواقعية.
بدأت الأبحاث الحديثة في استكشاف إمكانيات الفطريات في التطبيقات الكهروكيميائية الحيوية، كاشفة عن مزاياها الفريدة مقارنة بالأنظمة البكتيرية، بما في ذلك تعزيز المرونة والقدرة على تحلل المواد العضوية المعقدة. يمكن للفطريات تشكيل أغشية حيوية هيكلية مستقرة وإنتاج مستقلبات نشطة كهروكيميائيًا تسهل نقل الإلكترونات بكفاءة. ومن الجدير بالذكر أن التقدم في بطاريات الفطريات المعتمدة على السليلوز المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد قد أظهر جدوى دمج الفطريات المنتجة للكهرباء مع تصاميم أقطاب مبتكرة، مما أدى إلى تحسين نواتج الطاقة الكهربائية. تهدف هذه المراجعة إلى تجميع المعرفة الحالية حول توليد الكهرباء الفطرية، مع التركيز على الآليات الكامنة وراء توليد الإلكترونات والإمكانات التطبيقية لكل من الفطريات الدقيقة والماكروية في تقنيات الطاقة المستدامة.
نقاش
تؤكد قسم النقاش في ورقة البحث على دور الكائنات الدقيقة في توليد الكهرباء الحيوية، مشددة على إمكانياتها كمصادر طاقة مستدامة مقارنة بأساليب إنتاج الطاقة التقليدية المعتمدة على المحاصيل الغذائية والنفط. تم تحديد خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) كتقنية واعدة تستخدم ركائز متنوعة، بما في ذلك نفايات الطعام والمنتجات الثانوية الزراعية، لإنتاج الكهرباء مع تعزيز قيمة النفايات في الوقت نفسه. يتناول القسم آليات نقل الإلكترونات خارج الخلية (EET) في الأنظمة الكهروكيميائية الحيوية الميكروبية، مميزًا بين نقل الإلكترونات المباشر (DET) ونقل الإلكترونات الوسيط (MET). يشير إلى أنه بينما كانت البكتيريا هي محور التركيز الرئيسي للبحث بسبب كفاءتها وقابلية تعديلها الجيني، فإن الكائنات الدقيقة الأخرى مثل الأركيا، والطحالب الدقيقة، والفطريات تظهر أيضًا قدرات كهربائية كبيرة.
تتوسع الورقة في توضيح المزايا الفريدة لمجموعات ميكروبية مختلفة في توليد الكهرباء الحيوية. على سبيل المثال، لا تولد الطحالب الدقيقة الكهرباء فحسب، بل تساهم أيضًا في تثبيت CO2 وإنتاج الأكسجين، مما يعزز استدامة النظام. يتم تسليط الضوء على الفطريات، وخاصة الخمائر والفطريات الكبيرة، لمرونتها الأيضية وقدرتها على تحلل الركائز العضوية المعقدة، مما يجعلها مناسبة لمعالجة مياه الصرف الصحي المتكاملة واستعادة الطاقة. يختتم القسم بمناقشة الآليات الكامنة وراء توليد الكهرباء الحيوية الفطرية، بما في ذلك نقل الأيونات، وإفراز المستقلبات النشطة الكهروكيميائيًا، ونقل الإلكترونات خارج الخلية، والتي تعزز مجتمعة أدائها في خلايا الوقود الميكروبية. بشكل عام، تؤكد النتائج على الإمكانيات المتنوعة للكائنات الدقيقة في تعزيز التقنيات الكهروكيميائية الحيوية لحلول الطاقة المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.3389/ffunb.2025.1739847
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41624175
Publication Date: 2026-01-15
Author(s): Rice ul Islam et al.
Primary Topic: Plant and Biological Electrophysiology Studies
Overview
The exploration of bioelectricity generation from microorganisms, particularly fungi, has emerged as a promising avenue for sustainable energy sources, particularly for powering small-scale robotic systems. Fungal mycelium is capable of facilitating extracellular electron transfer, which can be harnessed in microbial fuel cells (MFCs) for clean energy production. The extensive mycelial networks of fungi provide unique conductive properties, making them well-suited for incorporation into fungal-based microbial fuel cells (FMFCs). Key factors such as electrode material, microbial interactions, and environmental conditions must be optimized to enhance the performance of FMFCs.
Despite the potential of fungal bioelectricity, challenges related to energy efficiency, scalability, and system integration persist. Future research should prioritize the optimization of electrode materials and microbial interactions, as well as the refinement of FMFC design. Additionally, integrating fungi with robotic systems could lead to advancements in autonomous operations, particularly in environmental monitoring and bio-inspired robotics. Continued progress in these areas is essential for establishing fungal bioelectricity as a reliable and eco-friendly energy source for biohybrid robots, thereby contributing to the broader goals of renewable energy and sustainable robotic technologies.
Introduction
The introduction highlights the transformative role of autonomous microsystems, such as microrobots and biohybrid platforms, across various fields, including environmental monitoring and biomedical diagnostics. A significant barrier to the deployment of these systems is the lack of suitable, renewable power sources that align with their operational constraints. Traditional energy storage solutions, like lithium-ion batteries, often fail to meet the necessary criteria of flexibility, biocompatibility, and sustainability. In this context, bioelectrochemical systems (BESs) have emerged as viable alternatives, leveraging microbial metabolic processes to convert biochemical energy into electrical power. These systems, particularly microbial fuel cells (MFCs), have shown promise in generating continuous electric currents from organic substrates, but they face challenges such as limited substrate specificity and low power outputs in real-world applications.
Recent research has begun to explore the potential of fungi in bioelectrochemical applications, revealing their unique advantages over bacterial systems, including enhanced resilience and the ability to degrade complex organic materials. Fungi can form stable mycelial biofilms and produce redox-active metabolites that facilitate efficient electron transfer. Notably, advancements in 3D-printed, cellulose-based fungal batteries have demonstrated the feasibility of integrating electrogenic fungi with innovative electrode designs, leading to improved electrical outputs. This review aims to synthesize current knowledge on fungal electrogenesis, focusing on the mechanisms underlying electron generation and the potential applications of both micro- and macrofungi in sustainable energy technologies.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the role of microorganisms in bioelectricity generation, highlighting their potential as sustainable energy sources compared to traditional energy production methods reliant on food and oil crops. Microbial fuel cells (MFCs) are identified as a promising technology that utilizes various substrates, including food waste and agricultural by-products, to produce electricity while simultaneously valorizing waste. The section details the mechanisms of extracellular electron transfer (EET) in microbial bioelectrochemical systems, distinguishing between direct electron transfer (DET) and mediated electron transfer (MET). It notes that while bacteria have been the primary focus of research due to their efficiency and genetic manipulability, other microorganisms such as archaea, microalgae, and fungi also exhibit significant electrogenic capabilities.
The paper further elaborates on the unique advantages of different microbial groups in bioelectricity generation. For instance, microalgae not only generate electricity but also contribute to CO2 fixation and oxygen production, enhancing system sustainability. Fungi, particularly yeasts and macrofungi, are highlighted for their metabolic flexibility and ability to degrade complex organic substrates, making them suitable for integrated wastewater treatment and energy recovery. The section concludes by discussing the mechanisms underlying fungal bioelectricity generation, including ion transport, secretion of redox-active metabolites, and extracellular electron transfer, which collectively enhance their performance in microbial fuel cells. Overall, the findings underscore the diverse potential of microorganisms in advancing bioelectrochemical technologies for sustainable energy solutions.