CC BY
122
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2007. Т 7, № 1. С.33-37
УДК 541.135
РАЗРЯДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОБНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ
МИКРООРГАНИЗМА ESCHERICHIA COLI
Е. В. Кузьмичева, В. А. Решетов, И. А. Казаринов, О. В. Игнатов*
Cаратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, Россия *Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН, Саратов, Россия
Поступила в редакцию 10.01.07 г.
Разработан микробный медиаторный анод на основе клеток Escherichia coli для процесса окисления глюкозы и оптимизированы условия его работы в макете микробного топливного элемента, в котором в качестве катода использован диоксидносвинцовый электрод.
On the basis of cells Escherichia coli the microbial mediator anode is developed for process of oxidation of glucose and conditions of its work in a model of a microbial fuel cell in which as the cathode it is used dioxideleaden electrode are optimized.
ВВЕДЕНИЕ
Биологические топливные элементы (БТЭ) представляют собой устройства, в которых осуществляется превращение химической энергии различных веществ в электрическую в процессе биологических трансформаций [1,2]. Преобразование химической энергии органических субстратов в электроэнергию в БТЭ происходит с помощью ферментов (ферментные топливные элементы) или микроорганизмов (микробные топливные элементы) [3].
Микробные топливные элементы (МТЭ) являются наиболее перспективными источниками электрической энергии. В них превращение химической энергии в электричество осуществляется посредством ферментов, находящихся в живом организме — клетке [4, 5]. МТЭ обладают следующими преимуществами перед ферментными:
— изменчивость микроорганизмов очень велика, и, в принципе, они могут служить биокатализаторами для широкого круга природных соединений углерода;
— стоимость производства многих микроорганизмов невысока, тогда как выделение фермента из его источника обходится дорого;
— микробные катализаторы позволяют получить более высокий выход электронов (окисление в клетках включает несколько стадий разложения субстрата);
— в микроорганизмах устойчивость и активность ферментов обеспечивается естественной внутриклеточной средой, которую трудно имитировать, а способы иммобилизации клеток довольно просты;
— в микроорганизмах ферменты лучше защищены от мешающих или ингибирующих растворенных веществ (например, соединений тяжелых металлов);
— для ферментативного биоэлектрохимическо-го переноса электронов часто необходимы кофермен-ты; при использовании микроорганизмов не требуется вводить экзогенные кофакторы, поскольку эти вещества регенерируются в клетках;
— многие микроорганизмы подробно охарактеризованы генетически, а методы селекции штаммов с высоким выходом определенных ферментов достаточно отработаны; разумное использование мутации позволяет дополнительно увеличить активность, селективность и специфичность микроорганизмов.
Целью настоящей работы явилась разработка медиаторного микробного анода на основе микро-организмa Escherichia coli и создание на его основе макета микробного топливного элемента.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводились в макете микробного топливного элемента с разделенными катодным и анодным пространствами и отсеком для подсоединения электрода сравнения; герметичный отсек рабочего электрода (анодное пространство) деаэрировался аргоном. Схема МТЭ приведена на рис. 1.
В качестве анода использовался пористый графитовый электрод с добавкой платины, в котором графитовая паста намазывалась на никелевую сетку, а затем подпрессовывалась. Площадь электрода 7.5 см2. Рабочим электролитом служил раствор хлорида натрия, приготовленный растворением кристаллической соли в фосфатном буфере (pH 6.9).
В качестве катода применялся диоксидносвин-цовый электрод серийного производства емкостью
0.5 А-ч. Электролитом служил 0.5М раствор серной кислоты, приготовленный разведением концентрированной серной кислоты плотностью 1.84 г/л в бидистиллированной воде.
© Е. В. КУЗЬМИЧЕВА, В. А. РЕШЕТОВ, И. А. КАЗАРИНОВ, О. В. ИГНАТОВ, 2007
Рис. 1. Схема микробного топливного элемента: а — биотопливный элемент в разобранном виде: 1 — катодное отделение; 2 — анодное отделение; 3 — пористый графитовый электрод; 4 — диоксидносвинцовый электрод; 5 — разделительное пространство, заполненное 0.5М Н2 804; место для подсоединения электрода сравнения; 6 — корпус макета биотопливного элемента; б — макет биотопливного элемента
в собранном виде
Реализация медиаторного микробного анода осуществлялась с использованием следующей модельной системы: глюкоза в качестве субстрата, клетки Escherichia coli в качестве биологического катализатора и индикатор метиленовый синий в качестве медиатора.
Клетки Escherichia coli выращивались на жидкой питательной среде LB [6] в конической колбе на круговой качалке при температуре 37°C в аэробных условиях. После двенадцатичасового культивирования клетки трижды отмывались центрифугированием (5000 об/мин, 5 мин) с последующим ресуспензиро-ванием в фосфатном буфере.
Снятие разрядных кривых проводилось при замыкании электродов на постоянную нагрузку. При этом велось измерение напряжения топливного элемента, потенциалов отрицательного и положительного электродов.
Изучение поляризационных характеристик микробного анода проводилось в макете микробно-
го топливного элемента с помощью потенциостата П-5827М, регистрация потенциала электрода проводилась с помощью мультиметра ДТ 9208 А.
В качестве электрода сравнения использовался насыщенный хлоридно-серебряный электрод (ЭВЛ-1М1), имеющий потенциал +0.201 В относительно нормального водородного электрода.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Разрядные кривые исследуемого микробного топливного элемента при различных разрядных токах приведены на рис. 2. Как следует из рис. 2, а, при токе разряда 1 мА разрядная кривая характеризуется практически постоянным значением напряжения (1.3 В), которое незначительно снижается в течение 90 минут. Из изменения потенциалов электродов при разряде видно, что в этих условиях разрядное напряжение изменяется за счет снижения потенциала диоксидно-свинцового электрода. При этом имеет место некото-
рое улучшение характеристик микробного анода (его потенциал снижается от -0.028 до -0.046 В). Это является следствием активного метаболизма глюкозы клетками Escherichia coli, приводящего к накоплению восстановленной формы медиатора в процессе разряда элемента.
Время, мин
Время, мин
5
Рис. 2. Разрядные кривые исследуемого микробного топливного элемента при различных токах разряда: а — 1 мА, б — 10 мА; 1 — потенциал диоксидносвинцового катода, 2 — напряжение биотопливного элемента, 3 — потенциал микробного анода
Аналогичная картина наблюдается и при разряде макета биотопливного элемента при более высоких разрядных токах. На рис. 2, б приведены разрядные характеристики макета БТЭ при токе разряда 10 мА. И в этих условиях при разряде потенциал микробного анода снижается от -0.024 до -0.033 В, а более существенное снижение разрядного напряжения элемента по-прежнему обусловлено работой диоксидносвин-цового электрода.
На рис. 3 приведена зависимость разрядного напряжения исследуемого макета биотопливного элемента от величины тока разряда. Как видно, при
увеличении тока разряда от 1 до 20 мА разрядное напряжение снижается незначительно (~ на 0.1 В). Дальнейшее увеличение разрядного тока до 100 мА приводит к резкому снижению разрядного напряжения биотопливного элемента, что связано с неудовлетворительной работой диоксидносвинцового катода. Проведенные исследования на макете биотопливного элемента показали, что предложенный микробный медиаторный анод на основе глюкозы и Escherichia coli даже в таком неоптимизированном виде работает удовлетворительно и может быть в дальнейшем использован для практических целей при создании медиаторного топливного элемента.
1§ I, мА
Рис. 3. Зависимость разрядного напряжения макета микробного топливного элемента от величины тока разряда
С целью изучения кинетики процесса анодного окисления исследуемого микробного медиаторного электрода были сняты поляризационные кривые пористого графитового микробного электрода в условиях работы макета биотопливного элемента в прямом и обратном направлениях. Как видно из рис. 4, а, представленные поляризационные кривые характеризуются двумя линейными участками, различающимися по величине углового наклона (таблица). Линейный участок в области малых плотностей токов (I участок) характеризуется величиной углового наклона, равной ~ 0.030 В/порядок тока, а в области высоких скоростей процесса окисления (II участок) величина наклона поляризационной кривой составляет ~ 0.100 В/порядок тока. Такое различие в поведении исследуемого электрода можно объяснить различной степенью проникновения процесса в глубь электрода, что определяется его пористой структурой.
Если между переключениями от одной плотности тока к другой не было перерыва, то обратный ход зависимости несколько отличается от прямого хода, т. е. имеется незначительный гистерезис. Если между переключениями от одной плотности тока к другой
Значения угловых наклонов поляризационных кривых процесса окисления глюкозы на медиаторном биоэлектрохимическом аноде на
основе клеток Escherichia coli
Рабочая система dE , В/порядок тока d lg i
I участок II участок
Без перерыва С перерывом (10 мин) Без перерыва С перерывом (10 мин)
0.0005М раствор метиленового синего, 56мкмоль/55 мл рабочего электролита глюкозы, 300 мг влажного веса/мл клеток E. coli 0.034±0.004 0.030±0.0040 0.099 ±0.008 0.103±0.007
0.0005М метиленового синего 0.044±0.003 0.037±0.004 0.106±0.006 0.108±0.007
делается перерыв (10 мин), то такой гистерезис исчезает (рис. 4, б). По-видимому, это связано с тем, что за действующий промежуток времени в результате метаболизма глюкозы клетками происходит повышение концентрации восстановленной формы медиатора, в результате чего прямой и обратный ходы поляризационной кривой практически совпадают. В таблице приведены значения угловых наклонов поляризационных кривых на I и II участках. Независимо от способа снятия поляризационных кривых (с перерывом или без перерыва) величины этих поляризационных наклонов близки.
Для выяснения природы процесса окисления глюкозы на биоэлектрохимическом аноде были сняты поляризационные кривые пористого графитового электрода в рабочем электролите, содержащем метиленовый синий без добавления в него клеток.
Полученные поляризационные кривые представлены на рис. 5. Видно, что гистерезис между прямым и обратным ходом снятия поляризационных кривых сохраняется даже в условиях, когда между переключениями тока имелся перерыв 10 минут. Это свидетельствует о том, что отсутствие клеток прекращает процесс окисления глюкозы и делает невозможным восстановление окисленной формы медиатора в процессе отключения тока. Сравнение угловых наклонов поляризационных кривых на рис. 5 указывает на их совпадение с величинами угловых наклонов поляризационных кривых, представленных на рис. 4 (см. таблицу). Это свидетельствует о том, что лимитирующей стадией окисления глюкозы в присутствии клеток в условиях работы медиаторного топливного элемента является процесс окисления медиатора — метиленового синего.
б
а
Рис. 4. Поляризационные кривые процесса анодного окисления пористого графитового микробного электрода, снятые в условиях работы макета биотопливного элемента в прямом и обратном направлениях: а — без перерыва между переключениями от одной плотности тока к другой; б — с перерывом (10 мин) между переключениями от одной плотности тока к другой. Рабочий электролит содержит 0.0005М метиленового синего, 56 мкмоль глюкозы, 300 мг влажного веса/мл клеток; Электр = 55 мл
1.0
Рис. 5. Поляризационные кривые процесса анодного окисления метиленового синего на пористом графитовом электроде, снятые в условиях работы макета биотопливного элемента в прямом и обратном направлениях: а — без перерыва между переключениями от одной плотности тока к другой; б — с перерывом (10 мин) между переключениями от одной плотности тока к другой. Рабочий электролит
содержит 0.0005М метиленового синего, 56 мкмоль глюкозы, без клеток
а
ВЫВОДЫ
1. Разработан микробный медиаторный анод на основе клеток Escherichia coli для процесса окисления глюкозы и оптимизированы условия его работы
2. Проведено испытание микробного медиа-торного анода в макете биотопливного элемента, в котором катодом являлся диоксидносвинцовый электрод; показано, что работа биотопливного элемента ограничена положительным электродом.
3. Изучение кинетики процесса окисления микробного медиаторного электрода показало, что лимитирующей стадией в работе биоэлектрохимического анода является процесс окисления медиатора — метиленового синего.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федорович В. В., Мажитов Т. О., Калюжный С. В. // Катализ в промышленности. 2004. №1. С. 29.
2. Кларк Л. С. и др. Биосенсоры: основы и приложения / Ред. Э. Тёрнер, И. Карубе, Дж. Уилсон; пер. с англ. И. Г. Абидора. М.: Мир, 1992. 614 с.
3. Shukla A. K., Suresh P, Berchmans S., Rajendran A. // Current Science. 2004. V. 87, №4. P. 455.
4. Градсков Д. А., Казаринов И. А., Игнатов В. В. // Электрохимия. 2000. Т. 37, №11. С. 1397.
5. Bennetto H. P // Biotechnology Education. 1990. V.1, №4.
P. 163.
6. Миллер Дж. Эксперименты в молекулярной генетике. М.: Мир, 1976. 440 с.
