БИОАГЕНТ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В МИКРОБНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
BIOAGENT FOR PRODUCTION OF ELECTRIC POWER IN MICROBIAL FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к биоэнергетике и технической микробиологии, и касается выработки электрической энергии с помощью микроорганизмов в микробных топливных элементах.
Технология микробных топливных элементов является новым направлением в биотехнологии. Она позволяет получать электроэнергию с помощью микроорганизмов. В качестве источника электронов для электрического тока микроорганизмы могут использовать широкий спектр органических субстратов и комплексных соединений: бытовые сточные воды [Lefebvre О. et al. Microbial fuel cells for energy self-sufficient domestic wastewater treatment-a review and discussion from energetic consideration // Appl Microbiol Biotechnol., V. 89., 2011, pp. 259-270], стоки целлюлозно-бумажных производств [Kengo Sasaki, Shin-ichi Hirano et al. Bioelectrochemical system accelerates microbial growth and degradation of filter paper // Appl Microbiol Biotechnol., V. 89, 2011, pp. 449-455], солому [Thygesen et al. Upgrading of straw hydrolysate for production of hydrogen and phenols in a microbial electrolysis cell (MEC) // Appl Microbiol Biotechnology, V. 89, 2011, pp. 855-865], глицерол, получаемый как отход при производстве биодизеля [Clauwaert Peter, David van der Ha, Willy Verstraete. Energy recovery from energy rich - vegetable products with microbial fuel cells // Biotechnology Letters, V. 30., 2008, pp. 1947-1951] и др.
Известно, что в технологии микробных топливных элементов применяются различные микроорганизмы, например Shewanella oneidensis [Нао Ren · Hyung-Sool · Lee Junseok Chae. Miniaturizing microbial fuel cells for potential portable power sources: promises and challenges / Microfluid Nanofluid. Vol. 13, 2012, pp. 353-381], Geobacter sulfurreducens [Ashley E. Franks, Kelly P. Nevin. Microbial fuel cells, a current review / Energies. Vol. 3, 2010, pp. 899-919], Rhodoferax ferrireducens [Swades K Chaudhuri, Derek R Lovley. Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells. / Nature biotechnology. Vol. 21, №10, 2003, pp. 1229-1232], Escherichia coli [X. Zheng, N. Nirmalakhandan. Cattle wastes as substrates for bioelectricity production via microbial fuel cells / Biotechnol Lett. Vol. 32, 2010, pp. 1809-1814] и др.
Недостатком вышеназванных монокультр микроорганизмов как биоагентов является то, что они обладают сравнительно узким диапазоном используемых субстратов и поэтому не способны вырабатывать высокий потенциал электроэнергии при работе с нехарактерными для них субстратами.
Известно, что утилизация отходов с помощью микроорганизмов наиболее эффективна при действии не одного конкретного вида, а целого консорциума бактерий. Это связано, прежде всего, с тем, что метаболические возможности отдельного микроорганизма ограничены его геномом, в то время как метаболические возможности сообщества микроорганизмов связаны с совокупностью всех геномов микробов, входящих в состав сообщества. Такая вариабельность и гибкость позволяет консорциуму выживать в постоянно меняющихся условиях среды обитания и при этом максимально эффективно утилизировать субстраты - бытовые и промышленные отходы, сточные воды и т.п.
Довольно часто можно встретить работы, в которых описывается использование не какой-то конкретной культуры микроорганизма, а, к примеру, осадка сточных вод (т.е. консорциум различных микроорганизмов), где после определенного времени культивирования в микробном топливном элементе, проводится филогенетический анализ микробного сообщества с помощью метода полимеразной цепной реакции. Это позволяет определить видовой состав микроорганизмов, но в то же время не дает четкого ответа, какие конкретно микроорганизмы участвуют в процессах передачи электронов от субстрата на электрод [Al-Shehri, A.N., Ghanem, K.М., Al-Garni, S. Μ. A comparative study for electricity generation in microbial fuel cell reactor with and without mediators. / Scientific Research and Essays. Vol. 6 (9), 2011, pp. 6197-6202].
Известно использование консорциума микроорганизмов, выделенных из сточных вод и взятых нами за прототип [Liping Huang & Bruce Ε. Logan. Electricity generation and treatment of paper recycling wastewater using a microbial fuel cell / Appl Microbiol Biotechnol, V. 80, 2008, pp. 349-355]. В данной работе были достигнуты следующие показатели по напряжению: 420 мВ после 286 часов культивирования. Это говорит о низкой эффективности работы вышеуказанного консорциума микроорганизмов.
Задачей предлагаемого изобретения является выявление новых свойств препарата микроорганизмов «Восток ЭМ-1» для использования его как эффективного биоагента при производстве электроэнергии в микробных топливных элементах.
Сущность изобретения заключается в том для получения электроэнергии в микробном топливном элементе анодную камеру инокулируют готовым к применению препаратом «Восток ЭМ-1», что позволяет получить стабильные значения электрического тока в диапазоне от 500 до 700 мВ в течение 3 суток в ячейке с объемом анодной камеры 230 мл.
В указанном препарате содержатся различные виды микроорганизмов, в частности фототрофные и молочнокислые бактерии, дрожжи, актиномицеты и ферментные грибки; генетически модифицированные микроорганизмы и патогенные или потенциально патогенные микроорганизмы в препарате не обнаружены (ссылка 1: Эффективные микроорганизмы: практические рекомендации по применению продукции серии ЭМ / сост. Северина В.Я., Адаменко Л.Я. // Приморский ЭМ-центр, - Владивосток, 2002. Стр. 11; ссылка 2: «Биопрепарат «Восток ЭМ-1». Теория и практика. Сост. В.Я. Северина. - Владивосток, 2006. 36 с. См. с. 8; ссылка 3: Т. Higa, JF. Parr, Bneficial and effective microorganisms for a sustainable agriculture and environment, Infrc Atami, Japan, 1994).
Основными направлениями применения препарата «Восток ЭМ-1» является сельское хозяйство (повышает иммунитет растений, снижает содержание пестицидов, увеличивает содержание витаминов, сахаров, белков), переработка отходов (ускорение процессов минерализации и компостирования органических отходов, соломы и мусора) [Семыкин В.А. и др. Перспективы применения ЭМ - технологий на картофеле в Центральном Черноземье. / Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2012. Т. 1. №1. С. 70-73; Голов В.И. и др. Бытовые и промышленные отходы: возможности утилизации и резервы самоочищения почвенного покрова. Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2008. №1. С. 91-97].
Из просмотренных источников информации использование препарата «Восток ЭМ-1» в качестве биоагента микробных топливных элементов нами не обнаружено.
Постановка эксперимента осуществлялась в модельных микробных топливных элементах объемом 460 мл. В анодном отсеке, где находились микроорганизмы, использовалась следующая среда: 0.1 Μ фосфатный буфер, 1% по массе глюкозы, 1% по массе экстракт лизированных клеток дрожжей в качестве источника витаминов и азота. В катодном отсеке была налита дистиллированная вода. Данный отсек аэрировался с помощью компрессора со скоростью 1,5 л/ч. Время работы ячейки микробного топливного элемента: 72 часа.
Динамика изменения вольтамперных характеристик прототипа и предлагаемого биоагента представлена на рис. 1.
Если сравнить полученные нами данные с прототипом, то можно увидеть, что мы получили более высокие показатели по напряжению - после 72 часа культивирования в ячейке объемом 230 мл было зарегистрировано напряжение чуть более 640 мВ (при максимальном в 710 мВ), в то время как у прототипа напряжение в 420 мВ было достигнуто за 286 часов культивирования.
Положительным результатом применения препарата «Восток ЭМ-1» в качестве биоагента является то, что консорциум микроорганизмов, входящий в его состав, обеспечивает широкие метаболические возможности, позволяя перерабатывать в микробном топливном элементе сточные воды и отходы самых разных производств, не только очищая их при этом, но и получая электроэнергию.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение №14.В37.21.1225 от 18.09.12).