Оценка параметров работы биотопливных элементов на основе анодов, модифицированных различными полимерными матрицами

В настоящее время одной из глобальных экологических проблем человечества является истощение запасов ископаемого топлива. Данная проблема с каждым годом приобретает все большую актуальность, это связано как с осознанием того факта, что природные ресурсы ограничены, так и с их быстро растущим потреблением. Вариантом решения данной проблемы является разработка альтернативных источников энергии – биотопливных элементов (БТЭ), в которых осуществляется преобразование химической энергии различных веществ в электрическую в процессе биологических трансформаций.
В качестве топлива в БТЭ используются различные органические субстраты. Преобразование химической энергии органических субстратов в электроэнергию в БТЭ происходит при помощи биокатализаторов – ферментов (ферментные топливные элементы) или микроорганизмов (микробные топливные элементы), закрепленных на поверхности графитового электрода.
В качестве биокатализатора широко применяются уксуснокислые бактерии Gluconobacter oxydans. Эти микроорганизмы обладают уникальной организацией метаболической системы, характеризующейся мембранной локализацией основных ферментов метаболизма клеток – дегидрогеназ, что обеспечивает легкий доступ субстрата к активным центрам фермента.
Использование целых бактериальных клеток исключает необходимость выделения отдельных ферментов. В отличие от ферментных, микробные топливные элементы обладают рядом преимуществ:
Во-первых, изменчивость микроорганизмов велика, и они могут служить биокатализатором для широкого круга природных соединений углерода.
Во-вторых, стоимость производства многих микроорганизмов является низкой, тогда как выделение фермента из его источника является дорогостоящим процессом.
В-третьих, для ферментативного биоэлектрохимического переноса электронов часто необходимы коферменты, а при использовании микроорганизмов в этом нет необходимости, поскольку эти вещества регенерируются в клетках [1].
Эффективность работы БТЭ напрямую зависят от способа иммобилизации биокатализатора на электрод. В большинстве разработанных к настоящему времени БТЭ биоматериал крепится к электроду путем адсорбции. Адсорбция – это простой метод иммобилизации, не влияющий на физиологические свойства микроорганизмов, но ее недостатком является ненадежное прикрепление биоматериала. Внедрение микроорганизмов в полимерные гели позволяет сохранить активность ферментных систем, увеличить срок службы биоанодов, а также защитить клетки от воздействий внешних факторов.
Актуальной задачей исследования БТЭ является создание прочных проводящих полимерных матриц. В качестве таких матриц в данной работе использовались хитозан, модифицированный нейтральным красным, и поливиниловый спирт (ПВС), модифицированный N-винилпирролидоном.

Оглавление 2
Введение 4
1. Литературный обзор 6
1.1 Общие сведения о биотопливных элементах 6
1.1.1 Физические характеристики биотопливного элемента 8
1.2 Перенос электронов 10
1.2.1 Нейтральный красный 10
1.2.2 Феназинметасульфат (ФМС) 11
1.2.3 2,6-дихлорфенолиндофенол (2,6-ДХФИФ) 11
1.3 Микроорганизмы, используемые в качестве биокатализаторов БТЭ 12
1.3.1 Общая характеристика Gluconobacter oxydans 14
1.4 Иммобилизация 15
1.4.1 Хитозан 17
1.4.2 Поливиниловый спирт, модифицированный N-винилпирролидоном 18
2. Экспериментальная часть 20
2.1 Культивирование клеток G. oxydans 20
2.2 Формирование ячейки биотопливного элемента 20
2.3 Электрохимические измерения 20
2.4 Обработка графитовых электродов концентрированной азотной кислотой 21
2.5 Иммобилизация G. oxydans в поливиниловый спирт, модифицированный N-винилпиррилидоном на поверхность графитового электрода 21
2.6 Иммобилизация G. oxydans в хитозан совместно с нейтральным красным на поверхность графитового электрода 21
2.7 Измерение долговременной стабильности биоанода, модифицированного органическими токопроводящими матрицами и клетками G. oxydans 22
3. Обсуждение результатов эксперимента 23
3.1 Разработка макета биотопливного элемента на основе клеток G. oxydans, иммобилизованных в полимерную матрицу хитозана совместно с медиатором нейтральным красным и без него 23
3.2 Оценка мощностных характеристик макета БТЭ на основе клеток G. oxydans, иммобилизованных в хитозан совместно с медиатором нейтральным красным 25
3.3 Оценка мощностных характеристик макета БТЭ на основе клеток G. oxydans, иммобилизованных в поливиниловый спирт, модифицированный N-винилпирролидоном 26
3.4 Оценка долговременной стабильности биоанодов с иммобилизованными клетками G. oxydans в исследуемые полимерные матрицы 27
3.5 Сравнение энергетических параметров биотопливного элемента на основе биоанодов, модифицированных органическими полимерными матрицами, и клетками G. oxydans 28
Выводы 30
Список литературы 32

Целью данной работы является оценка параметров работы макетов биотопливных элементов на основе анодов, модифицированных органическими полимерными матрицами, и клеток Gluconobacter oxydans.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка макета биотопливного элемента на основе клеток G. oxydans, иммобилизованных в хитозан, модифицированный нейтральным красным.
2. Оценка мощностных характеристик биотопливного элемента на основе клеток G. oxydans, иммобилизованных в хитозан, модифицированный нейтральным красным.
3. Оценка мощностных характеристик макета биотопливного элемента на основе клеток G. oxydans, иммобилизованных в поливиниловый спирт, модифицированный N-винилпирролидоном.
4. Оценка долговременной стабильности анодов с клетками G. oxydans, иммобилизованными в полимерные матрицы.
5. Сравнение параметров БТЭ на основе анодов, модифицированных органическими полимерными матрицами.

1. Кузьмичева Е.В., Решетов В.А., Казаринов И.А., Игнатов О.В. Разрядные характеристики микробного топливного элемента на основе микроорганизма Esherichia coli // Электрохимическая энергетика – 2007 – Т. 7, № 1. – С. 33-37.
2. Alfonta L. Genetically engineered microbial fuel cells // Electroanalysis – 2010 – V. 22 P. 822-831.
3. Соколова Т.Г., Гаврилов С.Н. Получение электричества в микробных топливных элементах на основе анаэробных термофильных микроорганизмов // Инноватика и экспертиза: научные труды – 2013 – № 1(10). – С. 58-63.
4. Allen R.M., Bennetto H.P. Microbial fuel-cells // Applied Biochemistry and Biotechnology – 1993 – V. 39 P. 27-40.
5. Жигула Е.А. Перспективы и направления развития технологии микробных топливных элементов и спектр их применения для решения глобальных экологических проблем // Вологдинские чтения – 2012 – № 80. – С. 302-304.
6. Logan B.E. Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells // Nature Reviews Microbiology – 2009 – V. 7 P. 375.
7. Ahn Y., Logan B.E. Domestic wastewater treatment using multi-electrode continuous flow MFCs with a separator electrode assembly design // Applied Microbiology and Biotechnology – 2013 –V. 97 P. 409-416.
8. Kumar S., Stecher G., Tamura K. Molecular evolutionary genetics analysis version 7.0 for bigger datasets // Molecular Biology and Evolution – 2016 – V. 33 P. 1870-1874.
9. Liu H., Grot S., Logan B.E. Electrochemically assisted microbial production of hydrogen from acetate // Environmental Science & Technology – 2005 – V. 39 P. 4317-4320.
10. Logan E. Microbial fuel cells // John Willey & Sons – 2008.
11. Дебанов В.Г. Производство электричества микроорганизмами // Микробиология – 2008 Т. 77 № 2. – С. 149-157.
12. G. Gao, D. Fang, Y. Yu [et al.] A double-mediator based whole cell electrochemical biosensor for acute biotoxicity assessment of wastewater // Talanta – 2017. V. 167. – P. 208-216.
13. L. Liu, L. Shang, C. Liu [et al.] A new mediator method for BOD measurement under non-deaerated condition // Talanta. – 2010. V. 81. №. 4-5. – P. 1170-1175.
14. Арляпов В.А., Зайцев М.Г., Каманина О.А., Юдина Н.Ю., Понаморева О.Н. Биоиндикация, биотестирование, биосенсоры: теоретические основы методов и их практическое применение: учеб.пособие. Тула: Издательство ТулГУ – 232 с.
15. В. He L, Du P, Chen Y, Lu H, Cheng X, Chang B, Wang Z. Advances in microbial fuel cells for wastewater treatment // Renewable and Sustainable Energy Reviews 2017 V. 71 P. 388-403.
16. Rahimnejad M, Najafpour GD, Ghoreyshi AA, Talebnia F, Premier GC, Bakeri G, Kim JR, Oh SE. Thionine increases electricity generation from microbial fuel cell using Saccharomyces cerevisiae and exoelectrogenic mixed culture // Journal of Microbiology – 2012 – V. 50 P. 575-580.
17. Park DH, Laivenieks M, Guettler MV, Jain MK, Zeikus JG. Microbial utilization of electrically reduced neutral red as the sole electron donor for growth and metabolite production. // Applied and Environmental Microbiology – 1999 – V. 65 P. 2912-2917.
18. Thygesen A, Poulsen FW, Min B, Angelidaki I, Thomsen AB The effect of different substrates and humic acid on power generation in microbial fuel cell operation // Bioresource Technology – 2009 – V. 100 P. 1186-1191.
19. Zhang E, Cai Y, Luo Y, Piao Z. Riboflavin-shuttled extracellular electron transfer from Enterococcus faecalis to electrodes in microbial fuel cells. // Canadian Journal of Microbiology – 2014 – V. 60 P. 753-759.
20. Rahimnejad M, Najafpour GD, Ghoreyshi AA, Shakeri M, Zare H Methylene blue as electron promoters in microbial fuel cell // International Journal of Hydrogen Energy – 2011 – V. 36 P. 13335-13341.
21. Носова Н.М., Зайцева А.С., Арляпов В.А. Изучение электрохимического поведения медиаторов электронного транспорта – 2,6-дихлорфенолиндофенола и нейтрального красного методом циклической вольтамперометрии // Известия ТулГУ – 2017 В.1 С. 59-66.
22. Kaipeng Wang, Yuwen Liu, Shengli Chen Improved microbial electrocatalysis with neutral red immobilized electrode // Journal of Power Sources – 2011 – V. 196 – P. 164-168.
23. Kim, H. J., H. S. Park, M. S. Hyun, I. S. Chang, M. Kim, and B. H. Kim A mediator-less microbial fuel cell using a metal reducing bacterium, Shewanella putrefaciens // Enzyme Microb. Technol. – 2002 – 30: P. 145–152
24. Willner I., Arad G., Katz E. А biofuel cell based on pyrroloquinoline quinine and microperoxidase-11 monolayer-functionalized electrodes // Biochemistry & Bioenergy – 1998 – №. 44 – P. 209-214.
25. Abrevaya XC, Sacco N, Mauas PJD, Cortón E Archaea-based microbial fuel cell operating at high ionic strength conditions // Extremophiles – 2011 – V. 15 P. 633.
26. Bond DR, Lovley DR: Evidence for involvement of an electron shuttle in electricity generation by Geothrix fermentans // Applied and Environmental Microbiology – 2005 – V. 71 P. 2186-2189.
27. Fedorovich V, Knighton MC, Pagaling E, Ward FB, Free A, Goryanin I Novel electrochemically active bacterium phylogenetically related to Arcobacter butzleri, isolated from a microbial fuel cell // Applied and Environmental Microbiology – 2009 – V. 75 P. 7326-7334.
28. Ma M, Cao L, Ying X, Deng Z. Study on the performance of photosynthetic microbial fuel cells powered by Synechocystis PCC-6803 // Renewable Energy Resources – 2012 – V. 30 P. 42-46.
29. Fu CC, Hung TC, Wu WT, Wen TC, Su CH. Current and voltage responses in instant photosynthetic microbial cells with Spirulina platensis // Biochemical Engineering Journal – 2010 – V. 52 P. 175-180.
30. Sekar N, Umasankar Y, Ramasamy RP. Photocurrent generation by immobilized cyanobacteria via direct electron transport in photo-bioelectrochemical cells // Physical Chemistry Chemical Physics – 2014 – V. 16 P. 7862-7871.
31. Liu J, Yong YC, Song H, Li CM: Activation enhancement of citric acid cycle to promote bioelectrocatalytic activity of arcA knockout Escherichia coli toward high-performance microbial fuel cell. ACS Catalysis 2012, 2:1749-1752.
32. Cao Y, Zhang H, Liu H, Liu W, Zhang R, Xian M, Liu H. Biosynthesis and production of sabinene: current state and perspectives // Applied Microbiology and Biotechnology – 2018 – V. 102 P. 1535-1544.
33. Clauwaert Peter, David van der Ha, Willy Verstraete. Energy recovery from energy rich - vegetable products with microbial fuel cells // Biotechnology Letters, –2008 – 30– P. 1947-1951.
34. Rahman A, Borhan MS, Rahman S: Evaluation of microbial fuel cell (MFC) for bioelectricity generation and pollutants removal from sugar beet processing wastewater (SBPW) // Water Science and Technology – 2017 – V. 77 P. 387-397.
35. Harewood AJT, Popuri SR, Cadogan EI, Lee CH, Wang CC Bioelectricity generation from brewery wastewater in a microbial fuel cell using chitosan/biodegradable copolymer membrane // International Journal of Environmental Science and Technology – 2017 – V. 14 P. 1535-1550
36. Santoro C, Flores-Cadengo C, Soavi F, Kodali M, Merino-Jimenez I, Gajda I, Greenman J, Ieropoulos I, Atanassov P. Ceramic microbial fuel cells stack: power generation in standard and supercapacitive mode // Scientific Reports – 2018 – V. 8 P. 3281.
37. Islam MA, Ethiraj B, Cheng CK, Yousuf A, Thiruvenkadam S, Prasad R, Rahman Khan MM. Enhanced current generation using mutualistic interaction of yeast-bacterial coculture in dual chamber microbial fuel cell // Industrial & Engineering Chemistry Research – 2018 – V. 57 P. 813-821
38. Sievers M., Swings J. Family Acetobacteraceae. Ч.2 In: Garrity GM (ed) Bergey’s manual of systematic bacteriology // New York: 2nd edn. Springer – 2005 – P. 41–95.
39. Понаморева О.Н., Решетилов А.Н., Алферов В.А., Арляпов В.А., Бабкина Е.Е., Алферов С.В. Биосенсоры и биотопливные элементы // Учебное пособие для студентов – Тула: Издательство Тульского государственного университета, 2012. – 207 С. 150.
40. Алферов С.В., Воеводская О.А., Нгуен В.Т., Арляпов В.А., Понаморева О.Н., Решетилов А.Н. Уксуснокислые бактерии Gluconobacter oxydans как биокатализаторы в медиаторном биотопливном элементе // Сенсорные системы – 2011 – Т. 25, № 4. – C. 346-351.
41. Suzana Cláudia, Silveira Martins, Claudia Miranda Martins, Larissa Maria Cidrão Guedes Fiúza1 and Sandra Tédde Santaella Immobilization of microbial cells: A promising tool for treatment of toxic pollutants in industrial wastewater // African Journal of Biotechnology – 2013 – V. 12(28) P. 4412-4418.
42. Górecka E., Jastrzębska M. Immobilization techniques and biopolymer carriers // Biotechnol. Food Sci – 2011 P. 65–86.
43. Teles F.R.R., Fonseca L.P. Applications of polymers for biomolecule immobilization in electrochemical biosensors // Materials Science & Engineering C Biomimetic and Supramolecular Systems – 2008 – V. 28 P. 1530–1533.
44. Plekhanova Y, Tarasov S, Kolesov V, Kuznetsova I, Signore M, Quaranta F, Reshetilov A. Effects of Polymer Matrices and Carbon Nanotubes on the Generation of Electric Energy in a Microbial Fuel Cell // Membranes(Basel) – 2018 – 8(4).
45. Новочадов В.В., Семенов П.С., Лябин М.П., Гайфуллин Н.М. Бесклеточная матрица на основе хитозана с повышенными хондроиндуктивными совйствами // Вестник новых медицинских технологий – 2012 – В. 10 – С. 54-57.
46. Vaghari H., Jafarizadeh-Malmiri H., Berenjian A., Anarjan N. Recent advances in application of chitosan in fuel cells // Sustain. Chem. Process – 2013 – V. 1 P. 16.
47. Скрябин К.Г. Хитин и хитозан, получение, свойства, применение // М.: Наука, 2002 – С.368.
48. H. Nakamura, K. Suzuki, H. Ishikuro, S. Kinoshita, R. Koizumi, S. Okuma, M. Gotoh, I. Karube, A new BOD estimation method employing a double-mediator system by ferricyanide and menadione using the eukaryote Saccharomyces cerevisiae // Talanta – 2007 – V. 72 P. 210–216.
49. Алферов В.А., Филатова Н.М., Асулян Л.Д., Блохин И.В., Горячева А.А. Получение стабильного рецепторного элемента биосенсора, иммобилизацией бактериальных клеток Gluconobacter oxydans в пленку из поливинилового спирта, модифицированного N-винилпирролидоном // Известия Тульского государственного университета – 2011 – В. 1 С. 210-219.
50. Bin Li et al. Synthesis of a Self-Gelatinizable Crafiting Copolimer of Poly (vinyl Alcohol) for Construction of an Amperometic Peroxidase Electrode // Analitycal Biochemistry – 1998 – P. 130-132.