Микробные топливные элементы и активный ил

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ГОУ ВПО ИГУ)

Биолого-почвенный факультет

КУРСОВАЯ РАБОТА

МИКРОБНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И АКТИВНЫЙ ИЛ

Студент 4331 группы А.В. Киселёв

Руководители: д. б. н., профессор Д.И. Стом

м. н. с. Г.О. Жданова

Иркутск 2015

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Микробные топливные элементы

1.2 Активный ил в биологической очистке сточных вод

1.3 Методы оценки и контроля активного ила

1.4 Активный ил как биоагент в МТЭ

2. Объекты и методы

2.1 Объекты исследования

2.2 Методы исследования

2.2.1 Стерилизация ячеек МТЭ и электродов

2.3 Исследование динамики напряжения в МТЭ

3. Результаты и их обсуждение

Выводы

Список использованной литературы

Введение

Как можно сделать топливо из биомассы? Наиболее известный способ - получение биогаза (смесь метана и углекислого газа) с помощью анаэробного брожения. Эта технология широко применяется в мире (к сожалению, в нашей стране - очень ограниченно), но в целом биогаз - энергоноситель не слишком высокого качества. Что касается биоводорода, то он еще не вышел за рамки лабораторных исследований, к тому же из-за низкой эффективности процесса не очень понятны перспективы его промышленного применения. Но есть еще один путь: получать энергию в биотопливных элементах, причем сразу в виде электроэнергии. Этот путь со временем может оказаться весьма и весьма перспективным, поскольку по мере развития общества в структуре потребляемой энергии все больше места занимает электрическая, как наиболее универсальная и удобная для массового потребителя.

Целью курсовой работы явилась оценка возможности использования активного ила для генерирования электричества в микробных топливных элементах.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

. Провести анализ литературных сведений о конструкции и функционировании микробных топливных элементов.

. Изучить состав и свойства активного ила, его использование для биологической очистки сточных вод.

. Оценить влияние додецилсульфата натрия на генерирование электричества в МТЭ при утилизации активным илом пептона.

1. Обзор литературы

1.1 Микробные топливные элементы

Микробные топливные элементы (МТЭ) - это электрохимические устройства, способные трансформировать химическую энергию в электрическую за счёт метаболической активности микроорганизмов, электрон-транспортные цепи (ЭТЦ) которых, способны осуществлять перенос электронов на внешние нерастворимые акцепторы [1].

Микроорганизмы и окисляемый субстрат находятся в анаэробных условиях анодной камеры МТЭ. В данном отсеке МТЭ содержится анод, электрод, на который микроорганизмы "сбрасывают" электроны. В другом отсеке МТЭ, катодной камере, находится, соответственно, катод, который аэрируется воздухом или чистым кислородом. Процессы жизнедеятельности микроорганизмов являются источником электронов. Для разделения анодной и катодной камер используются специальные протоннообменные мембраны, которые осуществляют однонаправленный перенос протонов, образовавшихся в результате жизнедеятельности микроорганизмов, из анодной камеры в катодную, и не дающие кислороду возможность проходить в обратном направлении (рис. 1).

Рис. 1. Схема микробного топливного элемента

Впервые возможность использования клеток микроорганизмов для генерирования электричества была продемонстрирована еще в 1912 г., но 90% опубликованных работ в этой области относится к последним 10-15 годам. В июне 2012 года международный научный журнал ChemSusChem посвятил специальный выпуск технологии МТЭ (ChemSusChem, 2012, Volume 5, Issue 6). Главным образом, это вызвано перспективами использования МТЭ в очистке сточных вод и переработке различных типов отходов от сравнительно безопасных пищевых до токсичных и даже радиоактивных.

Биогеохимические реакции, происходящие с помощью микроорганизмов, осуществляющих биоэлектрохимическое восстановление минеральных соединений в природе и генерирование электроэнергии в МТЭ, позволили понять, насколько глобальное значение имеют эти процессы. Выветривания горных пород и формирования почв, биогеохимические циклы С, Mn, Fe и других элементов; структурной единицей этих процессов становится система состоящая из микроорганизма взаимодействующего с поверхностью минеральной частицы. Таким образом, очевидно, что на нашей планете существует значительное количество микроорганизмов, способных осуществлять процессы электрохимического восстановления минеральных соединений, тем самым обеспечивая себя энергией для выживания. Многие из этих микроорганизмов могут осуществлять эти реакции и в искусственных системах, таких как микробный топливный элемент, где анодный электрод имитирует нерастворимый акцептор электронов. Становится очевидным, что одним из важнейших направлений для развития технологии МТЭ является поиск оптимальных микроорганизмов способных активно функционировать в системе МТЭ и повышение эффективности транспорта электронов между клетками и электродом. Например, бактерии рода Geobacter в 10000 раз активнее переносят электроны на естественный акцептор (соединения железа), чем на электрод [9].

активный ил микробный топливный элемент

Существуют следующие пути передачи электронов на поверхность электрода: с помощью экзогенных медиаторов (метиленовый синий, нейтральный красный и др.), эндогенных медиаторов (флавинов), прямой контакт белков-цитохромов (к примеру, CymA, MtrC или OmcB, OmcA у S. oneidensis MR-1), передача посредством электронпроводящих пилей.

Одним из механизмов транспорта электронов на электрод является перенос их от клеток микроорганизмов с помощью молекул экзогенных медиаторов. Такой механизм был первым из изученных и он нашел свое применение в амперометрических биосенсорах и первых моделях МТЭ. Ограничения, связанные с таким механизмом, а именно выбор подходящего медиатора (нетоксичного, способного окисляться и восстанавливаться в определенном диапазоне, недорого и т.п.), зависимость мощности МТЭ от количества молекул медиатора в растворе, неизбежная потеря части молекул медиатора, особенно при использовании наиболее пригодной для практического применения проточной системы, делают подобные системы нерентабельными.

Однако в начале 2000-х были получены первые сообщения о возможности непосредственной передачи электронов от клеток микроорганизмов на поверхность электродов (у Geobacter sulfureducens в 2005 г., у Shewanella oneidensis в 2006 г.). Данную способность связывают с особым подклассом органелл - электронпроводящих пилей. В природе это свойство связано с восстановлением нерастворимых окислов металлов, которые находятся в среде обитания микроорганизмов. Но это не единственный путь передачи электронов на окислы металлов. К настоящему времени в общих чертах известны два пути, различающихся по типу восстанавливаемых окислов, а именно растворимых и нерастворимых [8].

У микроорганизмов существуют несколько типов дыхания, наименование каждого из них зависит от терминального акцептора электронов. Для аэробных форм таким акцептором является кислород, который обеспечивает наиболее высокий выход энергии (окислительно-восстановительный потенциал пары Ѕ О₂/Н₂О равен +820 мВ, что при окислении 1 молекулы глюкозы дает около 36 молекул АТФ). В тоже время окислительно-восстановительный потенциал такой пары как Fe³⁺/Fe²⁺ составляет +772 мВ, что лишь ненамного меньше пары О₂/Н₂О. Кроме железного дыхания существует также нитратное (окислительно-восстановительный потенциал пары NO₃^-/NO₂ ^- +433 мВ), фумаратное (окислительно-восстановительный потенциал фумарат/сукцинат +30 мВ) и др.

В МТЭ микроорганизмы передают электроны не на терминальный акцептор, а на электрод. Именно с этим связана необходимость создания анаэробных условий в анодной камере, так как в противном случае кислород будет успешно конкурировать с электродом за возможность связывания электронов [5, 10].

Ферментные и микробные топливные элементы можно использовать для переработки "сырья с отрицательной стоимостью", то есть органических отходов, в любой точке страны, где таковые производятся. Технология может быть использована для создания промышленных установок на пищевых и деревоперерабатывающих предприятиях, сельскохозяйственных фермах и в муниципальных хозяйствах. Установки могут быть оптимизированы и для использования частными лицами. Биоэлектрохимические основы разрабатываемой технологии обладают перспективами внедрения и в других промышленных областях: создание биосенсоров (в том числе для медицинских нужд), создание автономных источников питания для роботизированной автономной и радиоуправляемой техники, создание микробных электролизных элементов и др. [11].

1.2 Активный ил в биологической очистке сточных вод

Активный ил представляет собой экосистему, включающую сложный комплекс микроорганизмов различных классов, простейших микроскопических червей, водорослей; количественное и качественное формирование экосистемы диктуется искусственными условиями существования (рис. 2).

Рис. 2. Организмы активного ила

Микрофлора активных илов, очищающих многокомпонентные сточные воды химических производств, различна и зависит от состава очищаемых сточных вод, технологического режима работы аэротенков и условий эксплуатации всего комплекса очистных сооружений [2].

Например, сточные воды со сложным химическим составом производства капролактама обусловливают формирование активного ила в виде комплекса микроорганизмов разных систематических единиц с преобладанием микроорганизмов класса бактерий (70 от общего количества); из них 40 - Pseudomonas, 12 - бактерии, 12 - бациллы и 6 - хромобактерии. Остальные 30 микроорганизмов активного ила - представители классов грибов и актиномицетов.

Теоретические исследования и результаты практики эксплуатации сооружений показали, что фундаментальная перестройка углеводного типа обмена у микроорганизмов активного ила характерна для адаптированных илов, эксплуатируемых в режиме оптимальных нагрузок по БПК в одно и двухступенчатых системах очистки, в условиях постоянства химического состава очищаемых сточных вод, стабильных параметров технологического режима работы аэротенков и всего комплекса очистных сооружений в целом.

В этих условиях микроорганизмы активного ила практически утрачивают способность окислять глюкозу, лактозу, сахарозу, маннит и мальтозу, т.е. теряют свойства, присущие им в природных условиях, и приобретают устойчивые свойства преимущественного окисления органических соединений очищаемых сточных вод. При этом высоконагружаемый активный ил, эксплуатируемый в условиях работы очистных сооружений по двухступенчатой схеме очистки (БПКп смешанного стока перед 1й ступенью очистки 2500 мг/л), формируется почти на 100 из микроорганизмов, использующих специфические органические вещества очищаемых сточных вод в качестве единственного источника углерода.

Исследования показали, что снижение нагрузок по БПКп смешанного стока до 800-1000 мг/л и увеличение периода аэрации при одноступенчатой схеме очистки приводит к формированию экосистемы активного ила, микрофлора которого уже только на 30-50 % от общего количества бактерий в сооружениях перестраивает тип углеводного обмена, остальные же бактерии только несколько снижают интенсивность углеводного типа обмена, присущего им при обитании в природных условиях [3].

Эксплуатация аэротенков в режиме низких нагрузок по БПКп смешанного стока в пределах 300-400 мг/л при больших периодах аэрации обусловливает формирование экосистемы активного ила, микрофлора которого характеризуется преимущественно сохранением углеводного типа обмена, присущего им при обитании в природных условиях, и лишь 10 бактерий активного ила приобретают способность биохимического окисления специфических органических веществ сточных вод, т.е. в данном случае 90 бактерий, формирующих активный ил, не перестраивают углеводный тип обмена. В таких условиях эксплуатации аэротенков нарушается главная функция бактерий активного ила барьерная, обеспечивающая биохимическое окисление органических компонентов сточных вод химического производства. Вместо этого осуществляется комплекс биохимических реакций, направленных на окисление сопутствующих, более легко окисляемых органических компонентов хозяйственно-бытовых сточных вод и неполное окисление органических компонентов сточных вод химического производства.

Выбор оптимального технологического режима, обеспечение стабильности его параметров и научно обоснованное гибкое управление процессом биохимической очистки первостепенная задача технолога цеха очистки сточных вод, решение которой позволяет сформировать в аэротенках высоко адаптированный активный ил, микрофлора которого способна к преимущественному окислению специфических органических компонентов очищаемых сточных вод с передачей и закреплением этих свойств в цепи наследственности (последнее обусловливается постоянством химического состава сточных вод и стабильностью параметров технологического режима работы в области нагрузок по БПК).

Таким образом, качественный и количественный состав микрофлоры активного ила, очищающего сточные воды химического производства, а также биохимические свойства бактерий, определяющие величину удельной скорости окисления активного ила, зависят от условий его обитания, являются управляемыми параметрами и формируются в зависимости от управляющих параметров: химического состава очищаемых сточных вод, постоянства концентраций основных специфических загрязняющих веществ и оптимальных параметров технологического режима.

Системный научно обоснованный подход к управлению технологическим режимом аэротенка на основе критерия его оптимальности позволяет реально решать вопросы управления формированием состава микрофлоры активного ила с заданными биохимическими свойствами при эксплуатации биохимических очистных сооружений.

Сточные воды химических производств, как правило, очищаются совместно с хозяйственно-бытовыми сточными водами, характеризующимися значительной бактериальной обсемененностью не только сапрофитной микрофлорой, но и условно патогенной, к которой относятся санитарно-показательные бактерии группы кишечной палочки. Общее количество бактерий в хозяйственно-бытовых сточных водах и количество бактерий группы кишечной палочки в единице объема сточных вод наиболее часто характеризуется соотношением 30: 1 или 20:

. Следовательно, со смесью очищаемых сточных вод в аэротенки поступают не только органические вещества, но и разнообразная микрофлора, в том числе санитарно-показательные микроорганизмы группы кишечной палочки.

В природных условиях известны антагонистические взаимоотношения между сапрофитной микрофлорой почвы и воды и большинством патогенных или условно патогенных для человека микроорганизмов. Поэтому практический и теоретический интерес представляет обнаружение взаимоотношений между мощным комплексом сапрофитов активного ила и специфической микрофлорой хозяйственно-бытовых сточных вод, иными словами наличие санитарного потенциала микробных ассоциаций, обусловленного сорбционной способностью активного ила [2].

После контакта с активным илом количество бактерий группы кишечной палочки, обнаруженных в надиловой жидкости, снижается в 35 раз по сравнению с числом этих же бактерий, зафиксированных в исходной смеси сточных вод, т.е. специфической особенностью воздействия активного ила на бактерии группы кишечной палочки является уменьшение их количественных характеристик. Под влиянием состава сточных вод химических производств утрачиваются в значительной степени и изменяются биохимические свойства, характерные для типичных представителей E. coli, обнаруженных в хозяйственно-бытовых сточных водах. Выяснено также, что кишечные палочки, обитающие в активном иле, приобретают способность к окислению органических веществ неприродного происхождения, содержащихся в сточных водах.

1.3 Методы оценки и контроля активного ила

К физическим свойствам активного ила, характеризующим его качество, относится способность ила к оседанию. Она выражается показателем, который представляет собой отношение объема активного ила в миллилитрах после 30 минутного отстаивания к 1 г сухого вещества активного ила при разбавлении иловой смеси до 1 г/л. Этот показатель называется иловым индексом. При определении илового индекса <#"880216.files/image004.gif">,

где V - объем активного ила в цилиндре после 30-минутного отстаивания, см3; q - сухое вещество активного ила, г. [7].

Качество активного ила характеризуют также его морфологические свойства. Благоприятные, стабильные условия существования активного ила обусловливают хорошую его осаждаемость, прозрачную надиловую жидкость, пластичную структуру илового осадка. В неблагоприятных условиях обитания (перегрузка, залповые сбросы, голодание) осадок активного ила теряет пластичность, коллоидную структуру; надиловая жидкость приобретает стойкую мутность.

Визуальные постоянные наблюдения за морфологическими свойствами активного ила в аэротенках особенно ценны в практике эксплуатации биохимических очистных сооружений в период подключения и приема производственных сточных вод вводимых в строй новых химических производств.

Показателем качества всей экосистемы активного ила является инерционность экосистемы. Последняя проявляется в способности нивелировать одиночные возмущающие отрицательные воздействия, которые довольно часто встречаются в практике эксплуатации биохимических очистных сооружений. К отрицательным возмущающим воздействиям относятся различного рода нарушения технологического режима, такие как залповые выбросы загрязняющих веществ в токсических концентрациях, резкое изменение рН среды, снижение уровня растворенного кислорода и т.д. Адаптированный активный, ил с оптимальными биохимическими, физическими и морфологическими показателями, эксплуатируемый в условиях стабильного оптимального технологического режима, обладает значительной инерционной емкостью и способен "гасить" краткосрочные резкие нарушения технологического режима очистки. При этом не происходит ухудшение санитарно-химических показателей очищенных сточных вод. При длительных возмущающих воздействиях происходит перегрузка активного ила, инерционная способность экосистемы исчерпывается, что проявляется в резком нарушении окислительной способности активного ила, изменении его физических и морфологических свойств, разрушении зооглейных структур, в результате всего этого санитарно-химические показатели очищенных сточных вод резко ухудшаются. Изменяется и состав активного ила, исчезают простейшие и коловратки, появляется масса свободно плавающих бактерий, зооглеи активного ила приобретают рыхлую структуру. Прекращение влияния отрицательных факторов, воздействовавших на активный ил, приводит к довольно быстрому восстановлению всех его свойств, косвенным показателем процесса реконструкции является качественное и количественное возрождение микронаселения активного ила [6].

Рис. 6. Электроды из углеродной ткани (ОАО "Светлогорскхимволокно", Республика Беларусь)

Углеродная ткань - представляет собой вискозу, покрытую углеродом.

Электроды из карбида кремния - полые цилиндрические пористые стержни. Электрод, используемый как анод, имеет в верхней части заглушку, которая не позволяет воздуху проходить через электрод. Электрод, играющий роль катода, напротив, имеет в верхней части патрубок для ввода воздуха во внутреннюю часть электрода. Так как нижняя часть катода запаяна, то воздух вынужден проходить через многочисленные поры в электроде, образуя в воде воздушную "пыль". Благодаря этому интенсифицируются процессы восстановления. Характеристика используемого в качестве материала для изготовления электрода карбида кремния представлена в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики карбида кремния

Как видно из таблицы 1 электроды из карбида кремния содержат примеси в виде металлов, которые могут играть роль каталитических центров при восстановлении кислорода, а также быть центрами для передачи электронов от микроорганизмов, подобному так как это происходит в природе, когда микроорганизмы восстанавливают нерастворимые окислы металлов. Для разделения анодной и катодной камер используется протонообменная мембрана, в проведенных экспериментах использовалась мембрана двух типов:

МФ-4СК, технические характеристики представлены в таблице 2;, технические характеристики представлены в таблице 3.

Таблица 2

Лабораторный паспорт на мембрану МФ-4СК (ОАО "Пластполимер", РФ)

Таблица 3

Лабораторный паспорт на мембрану CMI (Membraness International, USA)

2.2 Методы исследования

2.2.1 Стерилизация ячеек МТЭ и электродов

Ячейку промывали проточной водой, затем заливали перекисью водорода (3%), после промывали дистиллированной водой и помещали под ультрафиолет на 15 минут.

.3 Исследование динамики напряжения в МТЭ

В предварительно простерилизованную ячейку в анодную камеру помещали навеску додецилсульфата натрия и пептона, затем заливали активный ил. Пептон использовали в концентрации 0,15 г/л, додецилсульфат натрия - 0,5; 1 и 5 г/л. В катодную приливали стерильную модельную сточную воду. Затем в них помещали электроды. К аэробной камере подключали компрессор. Напряжение в ячейках измеряли при помощи автоматизированной системы Arduino.

3. Результаты и их обсуждение

Изучали возможность генерирования электричества активным илом в микробных топливных элементах. В качестве субстрата использовали пептон в концентрации 0,15 г/л.

В результате было показано, что активный ил пригоден для использования в качестве биоагента в МТЭ. В течение 3 сут инкубирования напряжение возрастало до 350 мВ (рис. 7).

Рис. 7. Динамика напряжения в МТЭ при утилизации пептона (0,15 г/л) активным илом

Рис. 8. Влияние додецилсульфата натрия (0,5; 1 и 5 г/л) на динамику напряжения в МТЭ при утилизации пептона (0,15 г/л) активным илом

Выводы

1. Проведен анализ имеющихся литературных сведений о конструкции и функционировании микробных топливных элементов.

. Изучен состав и свойства активного ила, его использование для биологической очистки сточных вод.

. Показана возможность генерирования электричества активным илом в МТЭ - за 3 сут напряжение возрастало до 350 мВ.

. Показано ингибирующее воздействие додецилсульфата натрия в концентрациях 0,5; 1 и 5 г/л на генерирование электричества в МТЭ при утилизации активным илом пептона.

Список использованной литературы

1.      Дебабов В.Г. Производство электричества микроорганизмами (обзор) / В.Г. Дебабов // Микробиология. - 2008. - Т.77, № 2. - С.149-157.

2.      Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур // М., Акварос, 2003.

.        Жмур Н.С. Управление процессом и контроль результата очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур // М., Луч, 1997.

.        Очистка производственных сточных вод: учебное пособие для вузов / Под ред. Яковлева С.В. - М.: Стройиздат, 1985. - 179 с.

.        Решетилов А.Н. Генерация электрической энергии в биотопливном элементе на основе клеток микроорганизмов (обзор) / А.Н. Решетилов, О.Н. Пономарева, Т.А. Решетилова // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии имени Ю.А. Овчинникова. - 2005. - Т.1, №2. - С.54-63.

.        Роев Г.А. Очистные сооружения / Г.А. Роев // Охрана окружающей среды - М.: Недра, 1993. - 145с.

.        Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод / С.В. Яковлев // 1985.337 с.

.        Electrically conductive bacterial nanowires produces by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms/ Gorby J.A. [и др.] // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2006. V.103. P.11358-11363.

.        Holzman D.C. Microbe power. Environ / D.C. Holzman // Health Persp., 2005.113: 754-757.

.        Shewanella secretes flavins that mediate extracellular electron transfer/ Marsili, E. [и др.] // Proc. Natl Acad. Sci. USA. - 2008. - V.105, P.3968-3973.

.        http://www.innostar.ru/catalog. aspx? CatalogId=223&d_no=3539