УСТАНОВКА ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОАКТИВНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

Область техники
Полезная модель относится к электрохимии и микробиологии и может быть использована для культивирования и выделения электроактивных микроорганизмов, которые могут осуществлять разнонаправленные процессы:
1. Генерировать электрический ток, потребляя при этом органические вещества;
2. Использовать электрический ток в качестве источника энергии для синтеза органических веществ.
Последний процесс, названный электротрофией, был открыт недавно и в настоящий момент его исследование находится на начальном этапе.
Уровень техники
Из уровня техники известны электрохимические ячейки, обычно используемые в исследованиях по микробиологическому синтезу различных веществ. В международной публикации заявки WO 2014043690 на изобретение описана электрохимическая ячейка для микробиологического синтеза водорода и органических веществ, состоящая из двух полуячеек - камер (с анодом и катодом), сообщающихся между собой полупроницаемой мембраной и заполненных минеральной средой. В катодной камере помещается микробный консорциум, продуцирующий целевой продукт. Устройство предназначено для биотехнологических целей, а именно микробиологического синтеза водорода и органических веществ консорциумом микроорганизмов, и не отвечает требованиям, предъявляемым к устройствам для выделения электроактивных микроорганизмов определенных физиологических групп. Помимо того, указанная модель обладает высоким внутренним сопротивлением за счет высокого соотношения между объемом полуячеек и площадью контакта между ними, что существенно осложняет массоперенос.
Из уровня техники известна также ячейка для измерения электрохимических свойств сыпучих и пластичных влагонасыщенных сред (см. патент Российской Федерации №2326374 на изобретение, опубл. 10.06.2008), содержащая корпус и основание, выполненные из диэлектрического материала, рабочий и вспомогательный электроды и электрод сравнения, корпус ячейки выполнен в виде полого цилиндра, а основание выполнено съемным и соединяется с корпусом при помощи резьбовых крепежных элементов через уплотнительное резиновое кольцо, ячейка снабжена крышкой из диэлектрического материала, которая крепится к корпусу при помощи резьбовых крепежных элементов, в крышку посредством резьбы установлен электрод сравнения, рабочий и вспомогательный электроды размещены в основании, при этом вспомогательный электрод изготовлен из металла, электрохимически инертного к размещенной в ячейке среде, а рабочий электрод - из металла, электрохимические свойства которого определяются. Устройство предназначено для изучения поляризации металлических электродов при коррозионных исследованиях и не отвечает требованиям, предъявляемым к устройствам для культивирования электроактивных микроорганизмов.
Из уровня техники известна система (см. международную публикацию заявки WO 2011087821 на изобретение), включающая электрохимическую ячейку для микробиологического синтеза высокомолекулярных органических соединений и топлива. Электрохимическая ячейка представляет собой размещенные в U-образном корпусе, частично заполненном средой, два электрода - анод и катод. Анод и катод находятся в контакте со средой. Анод и катод подключены через внешний контур через потенциометр к источнику электрической энергии. Жидкая среда является электролитом, в котором способны расти микроорганизмы. На катоде иммобилизуется биопленка, состоящая из микроорганизмов. Катод и пространство непосредственно возле него могут быть отграничены полупроницаемой мембраной от остального объема.
В качестве источника углерода для микробного синтеза высокомолекулярных органических веществ служит углекислый газ, подаваемый в жидкую среду или поступающий из воздуха. При включении системы ток подается на электроды, при этом электроны мигрируют от анода к катоду. Микроорганизмы, иммобилизованные на катоде, используют электричество в качестве источника электронов для восстановления углекислого газа, в результате чего происходит синтез органических веществ. Для создания биопленки авторами патента используются анаэробные микроорганизмы, как в виде монокультур, так и в виде микробных консорциумов.
Основным недостатком описанной конструкции является то, что она приспособлена к проведению экспериментов только одного типа: катодного микробного электрохимического процесса с поглощением электронов и продукцией органических веществ. Устройство не является установкой для культивирования электроактивных микроорганизмов. Такая система ориентирована на решение преимущественно биотехнологических задач, и не позволяет проводить эксперименты с переключением полярностей электродов, работать с физиологически различными микроорганизмами, а не только анаэробными, не позволяет регулировать освещенность, уровень аэрации среды, изменять направленность электрохимических процессов.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом заявленной полезной модели является расширение режимов культивирования электроактивных микроорганизмов за счет изменения полярности электродов.
Технический результат достигается тем, что установка для культивирования электроактивных микроорганизмов содержит электрохимическую ячейку с электродами, находящимися в корпусе, заполненном средой для культивирования микроорганизмов, и соединенными с источником питания через потенциостат, при этом корпус выполнен из диэлектрического оптически прозрачного материала в виде полого цилиндра, с установленными на торцах через герметизирующие прокладки верхней и нижней торцевыми пластинами, соединенными между собой резьбовыми крепежными элементами, в нижней части корпуса установлен горизонтальный вспомогательный электрод, а в средней части корпуса - горизонтальный рабочий электрод, изготовленные из материала, проницаемого для среды для культивирования и микроорганизмов, а электрод сравнения установлен в отверстие верхней торцевой пластины с герметизирующей пробкой.
В предпочтительном варианте, корпус и торцевые пластины выполнены из поликарбоната, электрод сравнения электрохимически инертен к среде для культивирования микроорганизмов, вспомогательный и рабочий электроды выполнены из углеродистой ткани, рабочий электрод полностью перекрывает сечение корпуса.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленной модели заявленной полезной поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежом, где показано следующее.
На фиг. 1 представлена схема заявленной установки для культивирования электроактивных микроорганизмов, где:
1 - корпус ячейки;
2 - герметизирующая прокладка;
3 - торцевые пластины;
4 - крепежные винты;
5 - герметизирующая пробка;
6 - электрод сравнения;
7 - рабочий электрод;
8 - вспомогательный электрод;
9 - среда для культивирования микроорганизмов;
10 - провода;
11 - потенциостат.
Осуществление и примеры реализации полезной модели
Вариант выполнения установки приведен на фиг. 1.
Установка представляет собой трехэлектродную электрохимическую ячейку, выполненную в виде вертикально расположенного автоклавируемого прозрачного цилиндрического корпуса 1, размыкаемого посередине для установки плоского рабочего электрода 7 из углеродистой ткани (углеткань без пропиток, 160 г/м2), который разделяет пространство корпуса на две части. Вспомогательный электрод 8, также изготовленный из углеродистой ткани, располагается в нижней части корпуса 1. Сверху и снизу к корпусу 1 через силиконовые герметизирующие прокладки 2 (нижняя прокладка не показана) крепятся две торцевые прозрачные поликарбонатные пластины 3, стягиваемые винтами 4. В верхней пластине организовано отверстие для хлорсеребряного электрода сравнения 6. Электроды 6, 7, 8 подключены через внешнюю цепь 10 к потенциостату 11, соединенному с источником питания (на фигуре не показан).
Материал корпуса, торцевых пластин, герметизирующих прокладок, электрода могут отличаться от приведенных выше.
Устройство сконструировано таким образом, чтобы отвечать следующим требованиям: выдерживать температуру до 121°С и давление до 1,5 атмосфер (быть автоклавируемым); не содержать токсичных веществ, способных ингибировать рост микроорганизмов; создавать возможность аэробных и анаэробных условий (быть герметичным); быть способным поддерживать жизнедеятельность микроорганизмов различных физиологических групп, в том числе фототрофных (светопроницаемый материал ячейки). Потенциостат в составе устройства должен регулировать напряжение с высокой степенью дискретности, генерировать малые токи.
В зависимости от экспериментальных целей в данной ячейке можно изменять такие параметры, как состав среды для культивирования микроорганизмов, тип и содержание органического субстрата для роста микроорганизмов, соотношение жидкой и газовой фазы, ее состав, уровень освещенности, а также задавать на рабочем электроде необходимый потенциал, осуществляя как анодный, так и катодный микробный электрохимический процесс.
Приведенные существенные признаки приводят к тому, что после автоклавирования в течение 15 минут при 121°С собранная установка может использоваться для культивирования и выделения электроактивных микроорганизмов разных физиологических групп в различных режимах (аэробно или анаэробно, с освещением или без него, с осуществлением катодного или анодного процесса), а также позволяет переключаться между анодным и катодным режимами без разбора конструкции.
Заявленная установка для культивирования электроактивных микроорганизмов работает следующим образом. Электрохимическая ячейка заполняется средой для культивирования микроорганизмов 9 (точный состав среды подбирается в зависимости от потребностей изучаемого микроорганизма и от конкретного процесса: минеральная среда с возможным добавлением органических веществ) полностью или частично, с формированием газовой фазы необходимого состава. В среде находятся изучаемые электроактивные микроорганизмы различных физиологических групп: аэробные или анаэробные, фототрофные или хемотрофные, автотрофные или гетеротрофные. Для экспериментов могут использоваться монокультуры, консорциумы, а благодаря стерилизуемости ячейки и чистые культуры микроорганизмов. Микроорганизмы могут находиться в толще среды или иммобилизоваться на рабочем 7 или вспомогательном электроде 8. В зависимости от целевого процесса, при помощи потенциостата 11 на рабочем электроде 7 задается необходимый потенциал, измеряемый при помощи электрода сравнения 6. Таким образом, рабочий электрод может служить для осуществления как анодного, так и катодного микробного электрохимического процесса.
В первом случае (анодный процесс) установка используется для получения электрического тока с помощью микроорганизмов, находящихся в контакте с одним из электродов (анодом). При подаче напряжения на рабочем электроде, выполняющем в данном случае роль анода, формируется положительный заряд, при этом микроорганизмы используют поверхность электрода как терминальный акцептор электронов (в природе терминальными акцепторами электронов служат неорганические или органические соединения), сбрасывая на него электроны, полученные при разложении органических веществ из среды для культивирования. Это сопровождается возникновением тока в цепи, регистрируемое потенциостатом.
4
2
4
2
2
2
2
2
Например: ячейка заполнялась минеральной средой для культивирования микроорганизмов (модифицированная среда Пфеннига, г/л: NHCl - 0.33, KHPO - 0.33, MgCl·6HO - 0.33, KCl - 0.33, CaCl·6HO - 0.05, с добавлением ацетата 0.3 г/л). В среду вносили культуру электроактивного микроорганизма Rhodopseudomonas sp. На электроды подавали напряжение, при этом анодный потенциал составил -0.3 В. При помощи потенциостата была зарегистрирована и рассчитана плотность тока, составившая 0.2 мА/см, что свидетельствовало о протекании процесса переноса электронов на анод.
Во втором случае (катодный процесс) устройство используется для культивирования и выделения микроорганизмов, способных использовать электрический ток для роста на электроде (катоде). При подаче напряжения на рабочий электрод в роли катода электротрофные микроорганизмы формируют пленку обрастания, потребляющую эквиваленты электрического тока, подаваемого в цепь. При этом осуществляется процесс восстановления имеющегося в среде культивирования растворимого акцептора электронов. Энергия расходуется клетками микроорганизмами для поддержания своей жизнедеятельности и, как результат, увеличивается количество иммобилизованных на катоде микроорганизмов. Потенциостат регистрирует возникновение тока в цепи.
2
Например: ячейку заполняли анаэробной накопительной культурой микроорганизмов из муниципальных сточных вод общей минерализацией 5 г/л и содержанием нитрата 0.5 г/л. На электроды подавали напряжение. Потенциал на катоде составил -0.05 мВ. При помощи потенциостата была зарегистрирована и рассчитана плотность тока 0.12 мА/см. При этом нитрат, находящийся в среде, восстанавливался, то есть происходил процесс микробной денитрификации. В контрольном варианте эксперимента без биомассы восстановления нитрата в среде не происходило.
Таким образом, заявленная установка может быть использовано для проведения экспериментов по культивированию и выделению широкого спектра электроактивных микроорганизмов, включая аэробные, анаэробные, фототрофные, хемотрофные, гетеротрофные, автотрофные микроорганизмы на средах различного химического состава.