Влияние ПАВ на функционирование штамма Micrococcus luteus 1-и в биотопливных элементах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проанализирована работа биотопливных элементов (БТЭ) на основе штамма Micrococcus luteus 1-и при действии основных представителей различных групп поверхностно-активных веществ (ПАВ). Были испытаны цетилтриметиламмония бромида (катионоактивное ПАВ), твина-80 (неионогенное ПАВ), лаурилсульфат натрия (анионоактивное ПАВ). Показано, что цетилтриметиламмония бромид понижал электрические характеристики БТЭ в концентрациях от 10 мг/л, твин-80 – от 5 мл/л, лаурилсульфат натрия – от 100 мг/л. Сопоставление электрогенной активности бактерий в БТЭ с их жизнеспособностью и кинетикой окислительно-восстановительного потенциала анолита позволило сделать вывод, что снижение эффективности работы исследуемых БТЭ при действии ПАВ в испытанных диапазонах концентраций связано с их токсическим действием на микробные клетки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. И. Стом

Сургутский государственный университет; Байкальский музей СО РАН; Иркутский национальный исследовательский технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9496-2961
Россия, Сургут; п. Листвянка, Иркутская область; Иркутск

И. А. Топчий

Иркутский государственный университет

Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9091-4062
Россия, Иркутск

Г. О. Жданова

Иркутский государственный университет

Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8355-9517
Россия, Иркутск

П. С. Сташкевич

Иркутский государственный университет

Email: stomd@mail.ru
Россия, Иркутск

К. А. Храмцова

Иркутский государственный университет

Email: stomd@mail.ru
Россия, Иркутск

Ю. Ю. Петрова

Сургутский государственный университет

Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3702-2249
Россия, Сургут

Р. В. Лепикаш

Тульский государственный университет

Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7853-2937
Россия, Тула

А. Б. Купчинский

Байкальский музей СО РАН

Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8884-8636
Россия, п. Листвянка, Иркутская область

Список литературы

  1. Arora, J., Ranjan, A., Chauhan, A., Biswas, R., Rajput, V.D., and Sushkova, S., Surfactant pollution, an emerging threat to ecosystem: Approaches for effective bacterial degradation, J. Appl. Microbiol., 2022, vol. 133, р. 1229. https://doi.org/10.1111/jam.15631
  2. Massarweh, O. and Abushaikha, A.S., The use of surfactants in enhanced oil recovery: A review of recent advances, Energy Reports, 2020, vol. 6, р. 3150. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.11.009
  3. Sutormin, O.S., Kolosova, E.M., Torgashina, I.G., Kratasyuk, V.A., Kudryasheva, N.S., Kinstler, J.S., and Stom, D.I., Toxicity of Different Types of Surfactants via Cellular and Enzymatic Assay Systems, Int. J. Mol. Sci., 2023, vol. 24, р. 515. https://doi.org/10.3390/ijms24010515
  4. Choi, Y., Jung, E., Park, H., Jung, S., and Kim, S., Effect of initial carbon sources on the performance of a microbial fuel cell containing environmental microorganism Micrococcus luteus, Korean Chem. Soc., 2007, vol. 28(9), p. 1591.
  5. Chesnokova, A.N., Zakarchevsky, S.A., Zhdanova, G.O., and Stom, D.I., Electrochemical Parameters of Microbial Fuel Cells Based on the Micrococcus luteus Strain, New Ion-Exchange Membranes and Various Sugars, Russ. J. Electrochem., 2023, vol. 59, р. 660. https://doi.org/10.1134/S1023193523090057
  6. Stom, D.I., Saksonov, M.N., Gavlik, E.I., Zhdanova, G.O., Sasim, S.A., Kazarinova, T. Ph., Tolstoy, M.Yu., and Gescher, J., Effect of Sodium Lauryl Sulfate on Sorption of Cells of the Electrogenic Bacterium Strain Micrococcus luteus on Carbon Cloth, Indian J. Microbiol., 2023, vol. 63, р. 50. https://doi.org/10.1007/s12088-023-01058-9
  7. Kuznetsov, A.V., Khorina, N.N., Konovalova, E.Yu., Amsheev, D.Yu., Ponamoreva, O.N., and Stom, D.I., Bioelectrochemical processes of oxidation of dicarboxylic amino acids by strain Micrococcus luteus 1-I in a biofuel cell, IOP Conf Ser: Earth and Environ Sci, 2021, vol. 808, 012038. https://doi.org/10.1088/1755-1315/808/1/012038
  8. Stom, D.I., Zhdanova, G.O., Kalashnikova, O.B., Bulaev, A.G., Kashevskii, A.V., Kupchinsky, A.B., Vardanyan, N.S., Ponamoreva, O.N., Alferov, S.V., Saksonov, M.N., Chesnokova, A.N., and Tolstoy, M.Yu., Acidophilic Microorganisms Leptospirillum sp., Acidithiobacillus sp., Ferroplasma sp. As a Cathodic Bioagents in a MFC, Geomicrobiol. Journal, 2021, vol. 38(4), р. 340, doi: 10.1080/01490451.2020.1856980
  9. Стом, Д.И., Жданова, Г.О., Юдина, Н.Ю., Алферов, С.В., Чеснокова, А.Н., Толстой, М.Ю., Купчинский, А.Б., Саксонов, М.Н., Закарчевский, С.А., Энхдул, Т., Францетти, А., Рахимнеджад, М. Комплексный биопрепарат “Доктор Робик” как биоагент для утилизации фитомассы водных растений в биотопливных элементах. Изв. вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022. Т. 12. № 1 (40). С. 50. [Stom, D.I., Zhdanova, G.O., Yudina, N.Yu., Alferov, S.V., Chesnokova, A.N., Tolstoy, M.Yu., Kupchinsky, A.B., Saksonov, M.N., Zakarchevskiy, S.A., Enkhdul, T., Franzetti, A., and Rahimnejad, M., The “Doctor Robik 109” complex biopreparation as a bioagent for utilizing aquatic plant phytomass in biofuel cells, Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology (In Russian), 2022, vol. 12(1), p. 50.] https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-1-50-63
  10. Grigorova, R. and Norris, J.R., Methods in Microbiology, 1990, vol. 22, 618 р.
  11. Mushtaq, M., Al-Shalabi, E.W., and AlAmeri, W., A review on retention of surfactants in enhanced oil recovery: A mechanistic insight, Geoenergy Sci. and Engineering, 2023, vol. 230, 212243, https://doi.org/10.1016/j.geoen.2023.212243
  12. Domracheva, L.I. and Simakova, V.S., Reactions of pro- and eukaryotic microorganisms to the action of synthetic surfactants (review) Theoret. and Appl. Ecology, 2018, №1, p. 5.
  13. Tominaga, M., Ohmura, K., Ototani, Sh., and Darmawan, R., Accelerating electricity power generation and shortening incubation period of microbial fuel cell operated in tidal flat sediment by artificial surfactant anode modification, Biochem. Engineering Journal, 2022, vol. 185, 108536. https://doi.org/10.1016/j.bej.2022.108536
  14. Pasternak, G., Askitosari, T.D., and Rosenbaum, M.A., Biosurfactants and synthetic surfactants in bioelectrochemical systems: a mini-review, Front. Microbiol., 2020, vol. 358. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00358
  15. Zhang, Y., Jiang, J., Zhao, Q., Gao, Y., Wang, K., Ding, J., Yu, H., and Yao, Y., Accelerating anodic biofilms formation and electron transfer in microbial fuel cells: role of anionic biosurfactants and mechanism, Bioelectrochem., 2017, vol. 117, р. 48. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2017.06.002
  16. Zhang, Y., Jiang, J., Zhao, Q., Wang, K., and Yu, H., Analysis of functional genomes from metagenomes: revealing the accelerate electron transfer in microbial fuel cell with rhamnolipid addition, Bioelectrochem., 2018, vol. 119, p. 59. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2017.08.010
  17. Cheng, P., Shan, R., Yuan, H.-R., Deng, L., and Chen, Y., Enhanced Rhodococcus pyridinivorans HR-1 anode performance by adding trehalose lipid in microbial fuel cell, Bioresour. Technol., 2018, vol. 267, p. 774. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.08.006
  18. Naik, S. and Jujjavarapu, S.E., Enhanced bioelectricity generation by novel biosurfactant producing bacteria in microbial fuel cells, Environ. Technol. Innov., 2021, vol. 23, 101665. https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101665
  19. Hwang, J.-H., Kim, K.-Y., Resurreccion, E.P., and Lee, W.H., Surfactant addition to enhance bioavailability of bilge water in single chamber microbial fuel cells (MFCs), J. Hazardous Mater., 2019, vol. 368, p. 732. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.02.007
  20. Wen, Q., Kong, F., Ma, F., Ren, Y., and Pan, Zh., Improved performance of air-cathode microbial fuel cell through additional Tween 80, J. Power Sources, 2011, vol. 196(3), p. 899. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.09.009

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Используемый в работе двухкамерный БТЭ [9]: 1 – анодная камера; 2 – катодная камера; 3 – катодный электрод; 4 – анодный электрод; 5 – резиновые крышки, закрывающие и фиксирующие электроды; 6 – резиновая заглушка в анодной камере, через которую отбирают пробы и вносят субстраты и биоагенты при помощи шприца; 7 – протонообменная мембрана МФ-4СК.

Скачать (49KB)
Метаданные
3. Рис. в табл. 1

Скачать (10KB)
Метаданные
4. Рис. в табл. 2

Скачать (26KB)
Метаданные
5. Рис. в табл. 3

Скачать (10KB)
Метаданные
6. Рис. 2. Влияние катионоактивного ПАВ цетилтриметиламмония бромида на динамику напряжения (измерено в режиме разомкнутой цепи) (а) и силу тока (б) (измерено в режиме короткого замыкания), генерируемого в БТЭ штаммом M. luteus 1-и (анолит – модельная сточная вода (субстрат – пептон 500 мг/л), электроды – углеродная ткань); ● – контроль (без ПАВ); × – CTAB 10 мг/л; ▲ – CTAB 50 мг/л; ■ – CTAB 100 мг/л; ♦ – CTAB 500 мг/л.

Скачать (156KB)
Метаданные
7. Рис. 3. Влияние катионоактивного ПАВ цетилтриметиламмония бромида на мощность исследуемых БТЭ при их работе на внешнюю нагрузку (Ω) от 10 Ом до 100 кОм (анодный биокатализатор – штамм M. luteus 1-и; анолит – модельная сточная вода (субстрат – пептон 500 мг/л), электроды – углеродная ткань).

Скачать (83KB)
Метаданные
8. Рис. 4. Влияние неионогенного ПАВ твина-80 на динамику напряжения (измерено в режиме разомкнутой цепи) (а) и силу тока (б) (измерено в режиме короткого замыкания), генерируемого в БТЭ штаммом M. luteus 1-и (анолит – модельная сточная вода (субстрат – пептон 500 мг/л), электроды – углеродная ткань); ● – контроль (без ПАВ); × – твин-80 5 мл/л; ▲ – твин-80 10 мл/л; ■ – твин-80 30 мл/л; ♦ – твин-80 50 мл/л.

Скачать (188KB)
Метаданные
9. Рис. 5. Влияние неионогенного ПАВ твина-80 на мощность исследуемых БТЭ при их работе на внешнюю нагрузку (Ω) от 10 Ом до 100 кОм (анодный биокатализатор – штамм M. luteus 1-и; анолит – модельная сточная вода (субстрат – пептон 500 мг/л), электроды – углеродная ткань).

Скачать (79KB)
Метаданные
10. Рис. 6. Влияние анионоактивного ПАВ лаурилсульфата натрия на динамику напряжения (измерение в режиме разомкнутой цепи) (а) и силу тока (б) (измерено в режиме короткого замыкания), генерируемого в БТЭ штаммом M. luteus 1-и (анолит – модельная сточная вода (субстрат – пептон 500 мг/л), электроды – углеродная ткань); ● – контроль (без ПАВ); × – SLS 50 мг/л; ▲ – SLS 100 мг/л; ■ – SLS 500 мг/л; ♦ – SLS 1000 мг/л.

Скачать (162KB)
Метаданные
11. Рис. 7. Влияние различных концентраций лаурилсульфата натрия на изменение численности жизнеспособных клеток M. luteus 1-и при утилизации пептона (0,5 г/л) в БТЭ.

Скачать (73KB)
Метаданные
12. Рис. 8. Влияние различных концентраций лаурилсульфата натрия на изменение окислительно-восстановительного потенциала анолита БТЭ с культурой M. luteus 1-и в качестве анодного биокатализатора.

Скачать (103KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024