Микробные топливные элементы (МТЭ) — это биотехнологические устройства, способные производить электрический ток, используя жизнедеятельность микроорганизмов, что позволяет рассматривать их в качестве альтернативного источника экологически безопасной энергии. В статье приведены значения электрогенеза твердофазного безмембранного МТЭ собственной конструкции и влияние на него внесения раствора глюкозы в качестве топливного субстрата, способного стимулировать микробное сообщество.

Ключевые слова: микробный топливный элемент, биоэлектрохимическая активность, твердофазный МТЭ.

Существует множество исследований посвященных работе микробных топливных элементов (МТЭ). В настоящее время особое внимание в иностранных источниках уделяется твердофазным МТЭ, в частности почвенного типа [1–3]. При этом в отечественной литературе подобных исследований не так много.

В данной статье нами было исследована биоэлектрохимическая активность аборигенной микрофлоры горно-луговой субальпийской почвы с плато Лаго-Наки (Краснодарский край) и влияние на неё внесения раствора глюкозы, в качестве дополнительного источника углевода. Показателем реакции системы служила величина напряжения, которая фиксировалась с помощью автоматического вольтметра авторской конструкции.

Микробный топливный элемент, использованный в опыте, представлял с собой пластиковый сосуд цилиндрической формы, заполненный 40 граммами почвы, что составляло 6 см межэлектродного расстояния. Сверху и снизу располагались электроды из углеволокнистого войлока [4]. Схематическое устройство микробного топливного элемента представлено на рисунке 1.

Рис. 1. Конструкция микробный топливный элемент

В качестве электрогенного сообщества использовалась аборигенная микрофлора горно-луговой субальпийской почвы.

С целью оценки возможности стимуляции микробного сообщества внесением избыточного количества источников углерода нами вносилась глюкоза как универсальный биохимический субстрат. Замер осуществлялся на протяжении 15 суток, с 1 на 2 сутки в МТЭ внесли 25 мл однопроцентного раствора глюкозы в надкатодную область. График электрогенеза представлен на рисунке 2.

После внесения раствора глюкозы произошла заметная стимуляция электрогенеза, с величин от 28 мВ до 300–350 мВ. В дальнейшем наблюдалось падение вольтажа, а затем последовательное снижение показателей.

Подобную реакцию можно объяснить тем, что в процессах ассимиляции глюкозы могли участвовать разные типы почвенного микробного сообщества [5]. Возможно, сработали имеющиеся в почве r-стратеги, которые оперативно ассимилировали попавший субстрат и дали резкую активизацию микробиологичекой активности. После ассимиляции ими глюкозы активировались другие группы почвенной микрофлоры, которые воспользовались продуктами жизнедеятельности первой, что подтверждается колебаниями электрогенеза, очевидно, это перестройки микробного сообщества, связанные с внесением углеводорода.

Рис. 2. График электрогенеза МТЭ после внесения раствора глюкозы

При внесении дополнительного источника углерода в микробный топливный элемент почвенного типа возрастает количество генерируемой микробным сообществом электрического тока, что свидетельствует о том, что глюкоза оказывает выраженный стимулирующий эффект на аборигенное микробное сообщество.

Литература:

1. Bioelectricity Production from Soil Using Microbial Fuel Cells / A. Wolińska, Z. Stępniewska, A. Bielecka, J. Ciepielski. — Текст: непосредственный // Applied Biochemistry and Biotechnology. — 2014. — № 173. — С. 2287–2296.
2. Development of a functional stack of soil microbial fuel cells to power a water treatment reactor: From the lab to field trials in North East Brazil / J. Dziegielowski, B. Metcalfe, P. Villegas-Guzman — Текст: непосредственный // Applied Energy. — 2020. — Vol. 278. — P. 115680–11568.
3. Bacterial community composition at anodes of microbial fuel cells for paddy soils: the effects of soil properties / N. Wang, Z. Chen, H.-B. Li [et al.] — Текст: непосредственный // Journal of Soils and Sediments. — 2015. — Vol. 15. — P. 926–936.
4. Анаэробная биодеградация органических соединений в микробных топливных элементах / А. А. Самков, Н. Н. Волченко, А. А. Худокормов [и др.]. — Текст: непосредственный // Научный журнал КубГАУ. — 2014. — № 101. — С. 496–510.
5. Звягинцев, Д. Г. Биология почв / Д. Г. Звягинцев, П. БабьеваИ, Г. М. Зенова. — Москва: Издательство МГУ, 2005. — 445 c. — Текст: непосредственный.