Использование в микробных топливных элементах штаммов, изолированных из препарата «Восток» Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК579, 574.579.57.03, 579.695, 606:620.951

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МИКРОБНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ШТАММОВ, ИЗОЛИРОВАННЫХ ИЗ ПРЕПАРАТА «ВОСТОК»

© 2013 Д.И. Стом1, ЕЮ. Коновалова1, А.Л. Пономарева2, Е.С. Протасов1,

М.Ю. Толстой2

1 Иркутский государственный университет 2 Иркутский государственный технический университет»

Поступила в редакцию 17.05.2013

Показана перспективность использования ЭМ-препарата «Восток», а также изолированных из него микроорганизмов для получения электрической энергии в микробных топливных элементах. Консорциумы микроорганизмов, входящие в состав ЭМ-препарата «Восток», как и изолированные из него индивидуальные штаммы, способны не только элиминировать различные компоненты сточных вод, но и генерировать электрическую энергию.

Ключевые слова: микробные топливные элементы, сточные воды, производство электроэнергии

С ростом исследований в области альтернативной энергетики широко проводятся работы по созданию технологий, в которых в качестве вторичного сырья применяют компоненты сточных вод, отходы производства, сельского хозяйства и жизнедеятельности человека. В настоящее время активно развивается новое направление, которое позволяет не только очищать сточные воды от органических и неоргнических загрязнителей, но и напрямую получать электроэнергию. Эти процессы реализуются в микробных топливных элементах (МТЭ).В большинстве случаев в исследованиях, посвященных МТЭ, используют либо индивидуальные штаммы микроорганизмов, либо изолированные эмпирически подобранные [3, 4]. Но общеизвестно, что в природных экосистемах микроорганизмы живут в тесно взаимодействующих сообществах и именно такие консорциумы, скрепленные длительной совместной коэволюцией, являются наиболее эффективными в плане переработки субстратов^].

Материалы и методы исследования. МТЭ. Использованный нами МТЭ состоит из ячейки, разделенной с помощью протоннооб-менной мембраны на две части (рис. 1). Ячейка была сконструирована в научно-исследовательском и внедренческом центре «Энергофизика»

Стом Дэвард Иосифович, доктор биологических наук, профессор кафедры зоологии беспозвоночных и гидробиологии. E-mail: [email protected] Коновалова Елена Юрьевна, аспирантка Пономарева Анна Леонидовна, заведующая лабораторией качества воды

Протасов Евгений Станиславович, студент Толстой Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой коммуникаций и систем жизнеобеспечения. E-mail: tolstoi@istu. edu

Лашиным А.Ф. Использовали мембрану МФ-4СК (ОАО «Пластполимер», г. Санкт-Петербург), которая имеет толщину 0,25±0,01 мм, удельное объемное электрическое сопротивление не более 10,1 Ом*см, полная обменная емкость по иону водорода составляет 0,89 мг-экв/г. В качестве электродов (анод и катод) использовали пористые стержни из карбида кремния. Пористая структура электродов увеличивает площадь поверхность взаимодействия микроорганизмов с электродом.

Рис. 1. Общий вид ячейки микробного топливного элемента (Лашин, 2012)

Анодную и катодную камеру заполняли модельной сточной водой (табл. 1). Модельную сточную воду автоклавировали при 1 атм. в течение 30 минут. В анодной камере поддерживали анаэробные условия. В другой части ячейки -катодной камере, напротив, барботировали

воздух. Скорость подачи воздуха составила 1,5 л/мин. Аэрацию производили при помощи лабораторных микрокомпрессоров (Dezzie модель D-044). Суспензию исследуемых микроорганизмов помещали в анодную камеру.Следует подчеркнуть важность анаэробных условий в анодной камере, так как в противных условиях микроорганизмы будут использовать в качестве конечного акцептора электронов не электрод анода, а кислород.

Таблица 1.Состав модельной сточной воды (ГОСТ Р 50595-93)

Компонент сточной воды Массовая концентрация, мг/дм3

натрий углекислый 50,0

натрий уксусно-кислый 50,0*

калий фосфорно-кислый одноза- 25,0

мещенный

аммоний фосфорно-кислый двуза- 25,0

мещенный

кальций хлористый 7,5

магний серно-кислый 5,0*

пептон 100-150 (до ХПК= 220x20 мгО2/дм3)

Примечание: * - в пересчете на безводные соли

В качестве объекта исследования брали два штамма изолированных из консорциума эффективных микроорганизмов препарата «Восток». Эффективными микроорганизмами (ЭМ) называют регенеративные штаммы микроорганизмов, в совокупности выполняющих весь

спектр функций по питанию растений, их защите от болезней и оздоровлению почвенной среды. К ним относятся фотосинтезирующие бактерии, молочнокислые бактерии, дрожжи, актиномице-ты, ферментирующие грибы (типа Aspergillus и Pénicillium) и др.» переделать [5]. ЭМ-препараты применяют при утилизации твердых бытовых отходов, очистке сточных вод, для прикорма скота [5].

Среды и условия культивирования.

Общее микробное число определяли, используя метод серийных разведений с последующим высевом на РПА (36 г/л ГРМ-агара, 1% бактериологического агара) (метод Коха)[1]. Все показатели (титр, напряжение) определяли сразу и через 8, 10, 24 часов. Регистрацию потенциала микробного топливного элемента проводили с помощью мультиметра ДТ 9208 А. Статистическая обработка результатов проведена с использованием пакета программ MS Office 2010. Рассчитывали средние арифметические величины (М) и доверительные интервалы. Выводы сделаны при вероятности безошибочного прогноза Р>0,95.

Результаты и обсуждение. Выделенные из ЭМ препарата «Восток» штаммы (изолят №3 и изолят №6) представлены спорообразующими палочками. Окраска по грамму у изолята №3 положительная, а изолята №6 - отрицательная. Оба штамма ферментировали глюкозу, лактозу, мальтозу, манит и глицерин. Все используемые изоляты восстанавливали нитраты, образовывали аммиак. Реакция Хью-Лейсона положительная.

600

500

400 350 300 250 200 150 100 50 0

0 ч 8 ч 10 ч 24 ч

1=1 ЭМ (ОМЧ) -ЭМ (напряжение)

Рис. 2. ЭДС и ОМЧ при добавлении ЭМ-препарата «Восток» в анодную камеру

>

£ 400 H

<и

I 300

*

|р 200 с

eö

* 100

X

ч

И

О

«

В анодную камеру МТЭ приливали модельную сточную воду и добавляли ЭМ препарат «Восток», изолят №3 или изолят №6. В катодной камере находилась предварительно

стерилизованная модельная сточная вода. В качестве контроля использовали МТЭ, в анодную и катодную камеры которого не добавляли микроорганизмы. В течение всего эксперимента

существенного роста бактерий в контрольных камерах не фиксировали. Максимальная ЭДС в контрольной ячейке не превышало 80 mV. Во всех пробах, в которых использовались микроорганизмы, напряжение было значительно выше.

Ячейка с ЭМ-препаратом «Восток». В течение первых 8 часов эксперимента отмечали незначительное понижение титра микроорганизмов (с 1,8±0,2х107 до 1,1±0,2х107 КОЕ/мл). Вместе с тем зафиксировали повышение ЭДС в МТЭ (с 250±37,5 до 330±49,5 mV). В период с 10 до 24 часов эксперимента общее микробное число (ОМЧ) незначительно увеличивалось (с

1,2±0,2х107 до 3,3±0,2х107 КОЕ/мл). За этот же период происходил рост напряжения (с 330±49,5 до 450±67,5 шУ) (рис. 1).

Ячейка с изолятом №3. В течение первых 8 часов эксперимента отмечали значительный рост титра микроорганизмов (с 2,93±0,2х105 до 2,2±0,2х 106 КОЕ/мл). Так же было зафиксировано повышение ЭДС в МТЭ (с 374±56,1 до 504±75,6 шУ). В период от 10 до 24 часов эксперимента наблюдали увеличение ОМЧ (с 2,32±0,2х106 до 1,24±0,2х106 КОЕ/мл). За этот же отрезок времени отмечали колебание в ЭДС с 495±74,3 до 470±70,5 шУ (рис. 2).

>

700 -I

600 -500

400 -I

(U

5

I 300 H «

6 200 H

eö

* 100

0

0 ч 8 ч

1-1 изолят №3 (титр)

10ч 24ч

•изолят №3 (напряжение)

30

25

20 о

- 15 X ч s

- 10 ri о «

- 5

0

Рис. 3. ЭДС и ОМЧ при добавлении изолята №3» в анодную камеру

Ячейка с изолятом №6. В течение первых 8 часов эксперимента наблюдали незначительное повышение титра (с 3,0±0,2х105 до 1,6±0,2х106 КОЕ/мл). Также фиксировали повышения ЭДС в микробном топливном элементе (с

600

>

D S

к

D «

ft G ce К

500

400

300

200

100

210±31,5 до 362±54,3 шУ). Рост ОМЧ наблюдали в период с 10 до 24 часов эксперимента (с 1,5±0,2х106 до 7,8±0,2х106 КОЕ/мл). В этот же период происходило увеличение ЭДС (с 396±59,4 до 463±69,5 шУ) (рис. 3).

100 90

80 70 £

60 ~ 50 § 40 30 20 10 0

W

о «

0 ч

8 ч

10 ч

24 ч

I I изолят №6 (титр) изолят №6 (напряжение)

Рис. 4. ЭДС и ОМЧ при добавлении изолята №6 в анодную камеру

Выводы: ЭДС в МТЭ, в которых в анодной камере находились препараты консорциума ЭМ «Восток» или изоляты, выделенные из него, было существенно выше, чем в контроле, что

позволяет говорить о вкладе микроорганизмов в работу МТЭ. Эксперименты показали, что при добавлении ЭМ-препарата «Восток» в МТЭ ЭДС в них достигала через 24 часа 450±67,5 шУ,

0

у изолята №3 470±70,5 шУ, изолят №6 463±69,5 шУ. Таким образом, показана перспективность использования препарата ЭМ «Восток» и изолированных из него микроорганизмов в качестве биоагента для работы в МТЭ.

Благодарность. Авторы признательны Н. М. Будневу, Н. А. Иванову и Н. И. Гранину за ценные советы и всестороннюю поддержку.

Работа проводилась при частичной поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашения ГК: № 14.B37.21.0785 от 24.08.2012, № 11.519.11.5016 от 28.10.11, № 14.B37.21.1225 от 18.09.2012) и Программы стратегического развития.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Нетрусов, А.И. Практикум по микробиологии: Учеб.пособие для студ. вузов / А.И. Нетрусов и др. - М. : Академия, 2005. 608 с.

Ren, H. Miniaturizing microbial fuel cells for potential portable power sources: promises and challenges / H. Ren, H-Sool Lee, J. Chae // Microfluid Nanofluid. 2012. Vol. 13. P. 353-381.

Chaudhuri, S.K. Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells / S.K. Chaudhuri, D.R. Lovley // Nature biotechnology. 2003. Vol. 21, № 10. P. 1229-1232. Al-Shehri, A.N. A comparative study for electricity generation in microbial fuel cell reactor with and without mediators / A.N. Al-Shehri, K.M. Ghanem, S.M. Al-Garni // Scientific Research and Essays. 2011. Vol. 6 (9). P. 6197-6202.

Семыкин, В.А. Перспективы применения ЭМ - технологий на картофеле в Центральном Черноземье / ВА. Семыкин и др. // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2012. Т. 1. № 1. С. 70-73.

USING IN MICROBIC FUEL ELEMENTS THE STRAINS, ISOLATED FROM THE PREPARATION "VOSTOK"

© 2013 D.I. Stom1, E.Yu. Konovalova1, A.L. Ponomareva2, E.S. Protasov1,

M.Yu. Tolstoy2

1 Irkutsk State University 2 Irkutsk State Technical University"

Prospects of using the EM-preparation "Vostok", and also the microorganisms isolated from it for obtaining electric energy in microbic fuel elements are shown. The consortia of microorganisms which are a part of EM-preparation "Vostok", as well as the individual strains isolated from it, are capable not only eliminate various components of sewage, but also to generate electric energy.

Key words: microbic fuel elements, sewage, electricity generation

Devard Stom, Doctor of Biology, Professor at the Department of Invertebrates Zoology and Gydrobiology. E-mail: [email protected] Elena Konovalova, Post-graduate Student Anna Ponomareva, Chief of the Water Quality Laboratory Evgeniy Protasov, Student

Mikhail Tolstoy, Candidate of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Communications and Life Support Systems. E-mail: [email protected]