Вот уже много лет человечество озабочено поисками альтернативных источников энергии: солнечные батареи, ветряные и приливные электростанции… Одним из перспективных направлений в этой области является разработка микробных топливных элементов (МТЭ), которые не только генерируют электричество, но и решают экологические проблемы.
Не первый год ученые со всего мира проводят работы по конструированию микробных топливных элементов, в которых энергия метаболизма микроорганизмов преобразуется в электродвижущую силу. Они являются передовыми и перспективными в области альтернативной энергетики — ведь человеку всегда был интересен этот вопрос, а в век высоких технологий любопытство только возросло.
В Новосибирске МТЭ заинтересовались в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. Идеолог исследования профессор и доктор химических наук Галина Артемьевна Коваленко признается, что к этой работе ее подтолкнули беседы с известными российскими микробиологами, которые «фантазировали» на тему альтернативной энергетики. Они рассказывали об уникальных природных микроорганизмах: их называли электрогенными бактериями придонного океанического ила с красивым именем Шеванелла.
Принцип работы МТЭ аналогичен работе любого химического топливного элемента: например, водородного или метанольного. Одним электродом в нем является катод, на котором протекает электрохимическая реакции восстановления кислорода, другим — анод, предназначенный для окисления топлива. В анодной камере находятся бактерии — они и должны генерировать энергию. Катод и анод помещают в растворы электролитов, а эти секции разделяют между собой специальной мембраной.
В химическом элементе топливом являются, например, водород или метанол. Они окисляются на аноде за счет кислорода, который восстанавливается на катоде, и в результате энергия химической реакции горения превращается в электрическую. А в МТЭ топливом является то, что окисляется электрогенерирующими бактериям: глюкоза, лактат, глицерин, продукты жизнедеятельности человека. На катоде, как и в химическом топливном элементе, восстанавливается кислород. То есть бактерии получают углеродный источник энергии, необходимый для поддержания жизнедеятельности, в результате чего они перерабатывают органический субстрат (в том числе отходы жизнедеятельности человека и животных).
Процесс биодеградации органических субстратов микроорганизмами также проходит в природе, и в планетарном масштабе в нем задействованы огромные потоки энергии. В мире существуют различные электрогенерирующие бактерии — представители родов Geobacter, Shewanella, Proteus, Pseudomonas. Они способны образовывать на электродах биопленки толщиной 50–100 микрометров. В таких биопленках протекают метаболические реакции с участием «топлива» и переносчиков электронов (медиаторов), в результате чего в МТЭ получают электричество.
— Уникальным здесь является именно анод, поскольку на этом электроде идет окисление микробного «топлива», в нашем случае, лактата или глицерина, — рассказывает Галина Коваленко. — Важно, чтобы в анодной секции не было растворенного O2: такие условия называются анаэробными. Весь нужный кислород находится в катодной секции: оттуда и «качаются» электроны, необходимые для окисления.
В ИК СО РАН разрабатывались электроды для анодной секции МТЭ. Для их изготовления использовались графитовые стержни, на которые наносили Ni, Co-катализаторы для синтеза на гладкой поверхности графита наноструктурированного углерода в виде нановолокон или нанотрубок. При этом увеличивалась величина «активной» поверхности и ее шероховатость, а адгезия (сцепление поверхностей) электрогенных бактерий улучшалась. В МТЭ была использована биомасса активного ила московской Курьяновской станции аэрации. Это консорциум различных микроорганизмов, который может хорошо адаптироваться к условиям среды, что обеспечивает длительное функционирование МТЭ: месяцы и даже годы.
— Микробы были «московскими», а электроды — нашими, — поясняет Галина Коваленко. — Бактерии колонизировали анод и окисляли лактат, а на катоде восстанавливался кислород. Мы использовали графит, так как это инертный и недорогой материал. Он хорошо проводит электричество и не взаимодействует с «топливом».
Важное направление в развитии технологии МТЭ — оптимизация сообщества микроорганизмов. Нужно, чтобы они могли активно работать в топливном элементе и повышать эффективность транспорта электронов внутри бактериальных пленок к электродам и, как следствие, — выработку электроэнергии.
— Основная новизна нашего исследования заключается прежде всего в наборе микроорганизмов, которые работают около анода, — рассказывает о результатах Галина Коваленко. — Они уникальны в каждой работе. И, конечно же, в наших электродах, покрытых углеродными нановолокнами или нанотрубками.
Микробные топливные элементы интересуют исследователей как источник альтернативной энергии. МТЭ можно использовать для переработки органических отходов или очистки воды и одновременно получать электричество. Также они могут применяться в конструкции биотуалетов, где топливом будут компоненты отходов жизнедеятельности человека. Кроме того, МТЭ работают днем и ночью, в разных условиях окружающей среды (за исключением холодов).
— В данном исследовании МТЭ разрабатывали в том числе для использования на космических кораблях, — поясняет Галина Коваленко. — Топливом для их работы являются продукты жизнедеятельности космонавтов. Конечно, МТЭ дают маленькое напряжение, достаточное лишь для работы электронных датчиков: например, для измерения температуры. Можно пофантазировать и насчет биотуалетов: погрузить в отходы человека графитовый анод, «заселить» нужным консорциумом микробов и получать маленькую электродвижущую силу, которой хватит на индикацию таблички «занято ‒ свободно».
Микробные топливные элементы — отличное решение, по сути, позволяющее получать энергию и из органических отходов. МТЭ могут помочь человечеству не только в масштабных проектах вроде полетов в космос, но и в утилизации мелких бытовых отходов. Это улучшит экологию, а также будет служить источником альтернативной (не углеводородной) энергии. Но для состояния планеты это, скорее, не прорывная, а «вспомогательная» разработка.
— Институт катализа занимается приготовлением традиционных химических катализаторов, в том числе для нефтехимии, — добавляет Галина Коваленко. — А работы по МТЭ — результат моей личной инициативы. Сейчас у меня другие научно-практические задачи, но если появятся энтузиасты, которые заинтересуются работами в области МТЭ, мы готовы к сотрудничеству.
Алёна Литвиненко
Фото предоставлены Галиной Коваленко
