Технические науки / 5. Энергетика

Каманина О.А., Сытникова Н.В., к.х.н.Арляпов В.А., к.х.н. Алферов С.В.

Тульский государственный университет, Россия

Окисление метанола метилотрофными бактериями в макете биотопливного элемента с использованием различных медиаторов.

Биотопливный элемент (БТЭ) – устройство, которое преобразует энергию микробного метаболизма в электричество благодаря биокаталитическому окислению органических веществ в околоэлектродном пространстве [1]. Основой БТЭ является биокатализатор, в качестве которого могут быть использованы метилотрофные бактерии, содержащие мембранолокализованные дегидрогеназы. Известно, что поверхностная локализация ферментов в мембранах бактериальных клеток облегчает их взаимодействие с медиаторами электронного транспорта [2]. В связи с этим изучение возможности использования метилотрофных бактерий Methylovorus mays ВКМ В-2221 и Methylobacterium dichloromethanicum ДМ4 в качестве биокатализаторов в медиаторных БТЭ является актуальной задачей. Для передачи электронов от бактерий к аноду БТЭ использовали медиаторы: 2,6 – дихлорфенолиндофенол (2,6-ДХФИФ), тионин, нейтральный красный, гексацианоферрат (III) калия (ГЦФ). Для выбора медиатора, при использовании которого в макете микробного БТЭ генерируется максимальный потенциал, проводили оценку каталитической активности ферментных систем бактерий при окислении метанола. Сравнительная оценка величин генерируемых потенциалов в БТЭ при использовании двух штаммов метилотрофных бактерий в композиции с различными медиаторами, приведена в таблице 1.

Таблица 1. Влияние природы медиатора на величину генерации потенциала в макете биотопливного элемента на основе клеток бактерий Methylovorus mays ВКМ В-2221 и Methylobacterium dichloromethanicum ДМ4

Медиатор электронного траспорта	Methylovorus mays ВКМ В-2221		Methylobacterium dichloromethanicum ДМ4
	Генерируемый потенциал, мВ	Среднее время генерации потенциала, мин	Генерируемый потенциал, мВ	Среднее время генерации потенциала, мин
2,6-дихлорфенолиндофенол	141±8	310	250±20	160
Нейтральный красный	9±1	30	74±6	85
Гексацианоферрат (III) калия	29±1	10	3,0±0,2	10
Тионин	—		—

Для штамма бактерий Methylovorus mays и Methylobacterium dichloromethanicum максимальное значение генерируемого потенциала наблюдается при использовании в качестве медиатора 2,6-ДХФИФ — 141±8 мВ и 254±17 мВ соответственно. Использование нейтрального красного в растворе в качестве медиатора БТЭ является не эффективным, поскольку значение генерируемого потенциала для штамма Methylobacterium dichloromethanicum ДМ4 составило 74±6 мВ, а для Methylovorus mays ВКМ В-2221 9±1 мВ. Что, по-видимому, объясняется низким окислительно-восстановительным потенциалом медиатора, вследствие чего он может снимать электроны лишь с ранних этапов цепи переноса электронов в бактериях. Стандартный потенциал ГЦФ выше, чем у других медиаторов (табл. 2), что может объяснить его низкую эффективность при использовании его в анодном отделении. Значения генерируемых потенциалов при использовании медиатора ГЦФ составили для Methylovorus mays ВКМ В-2221 29±1 мВ, а для Methylobacterium dichloromethanicum ДМ4 — 3±2 мВ.

Таблица 2. Значения стандартных электродных потенциалов используемых медиаторов относительно водородного электрода.

Медиатор	2,6-ДХФИФ	Нейтральный красный	ГЦФ	Тионин
Стандартный потенциал, мВ	+217	-330	+361	+64

Отсутствие генерации потенциала при использовании в макете БТЭ тионина можно объяснить адсорбцией медиатора на микробной мембране, на аноде и на протонселективной мембране БТЭ, что препятствует электронному переносу [3]. Авторы статьи [3] отмечают, что использование тионина необходимо в сочетании с комплексом Fe (III)-ЭДТА.

При использовании медиатора 2,6-ДХФИФ и микроорганизмов Methylobacterium dichloromethanicum ДМ4 в макете БТЭ среднее время генерации потенциала составило 160 минут (таблица 1), что в 2 раза меньше аналогичного значения (310 минут) при использовании Methylovorus mays ВКМ В-2221. Предположительно это может быть связано с тем, что 2,6-ДХФИФ более эффективно взаимодействует с PQQ-зависимыми дегидрогеназами бактерий Methylobacterium dichloromethanicum ДМ4.

Таким образом, показана возможность использования метилотрофных бактерий Methylovorus mays и Methylobacterium dichloromethanicum в качестве биокатализаторов в медиаторных БТЭ. Необходимо отметить, что бактерии Methylobacterium dichloromethanicum ДМ4 в композиции с медиатором 2,6-ДХФИФ являются наиболее эффективным биокатализатором в макете микробного БТЭ при окислении метанола.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы, госконтракт № 16.512.11.2209.

Литература:

1. Казаринов И.А., Кузьмичева Е.В. Микробные топливные элементы – новое направление в развитии альтернативной энергетики // Автономная энергетика – 2009 - №26 – С. 37-47.

2. Davis F., Higson S. Biofuel cells — recent advances and applications. // Biosensors & Bioelectronics - 2007 - №22 – P.1224–1235.

3. E. Katz, A.N. Shipway, I. Willner Mediated electron-transfer between redox-enzymes and electrode supports. // Encyclopedia of Electrochemistry: Bioelectrochemistry. Germany. 2002