Использование в микробных топливных элементах штаммов, изолированных из препарата «Восток»

С ростом исследований в области альтернативной энергетики широко проводятся работы по созданию технологий, в которых в качестве вторичного сырья применяют компоненты сточных вод, отходы производства, сельского хозяйства и жизнедеятельности человека. В настоящее время активно развивается новое направление, которое позволяет не только очищать сточные воды от органических и неоргнических загрязнителей, но и напрямую получать электроэнергию. Эти процессы реализуются в микробных топливных элементах (МТЭ).В большинстве случаев в исследованиях, посвященных МТЭ, используют либо индивидуальные штаммы микроорганизмов, либо изолированные эмпирически подобранные [3, 4]. Но общеизвестно, что в природных экосистемах микроорганизмы живут в тесно взаимодействующих сообществах и именно такие консорциумы, скрепленные длительной совместной коэволюцией, являются наиболее эффективными в плане переработки суб-стратов[5].

Материалы и методы исследования.

МТЭ. Использованный нами МТЭ состоит из ячейки, разделенной с помощью протоннообменной мембраны на две части (рис. 1). Ячейка была сконструирована в научно-исследовательском и внедренческом центре «Энергофизика»

Коновалова Елена Юрьевна, аспирантка

Пономарева Анна Леонидовна, заведующая лабораторией качества воды

Протасов Евгений Станиславович, студент

Лашиным А.Ф. Использовали мембрану МФ-4СК (ОАО «Пластполимер», г. Санкт-Петербург), которая имеет толщину 0,25±0,01 мм, удельное объемное электрическое сопротивление не более 10,1 Ом×см, полная обменная емкость по иону водорода составляет 0,89 мг-экв/г. В качестве электродов (анод и катод) использовали пористые стержни из карбида кремния. Пористая структура электродов увеличивает площадь поверхность взаимодействия микроорганизмов с электродом.

Рис. 1. Общий вид ячейки микробного топливного элемента (Лашин, 2012)

Анодную и катодную камеру заполняли модельной сточной водой (табл. 1). Модельную сточную воду автоклавировали при 1 атм. в течение 30 минут. В анодной камере поддерживали анаэробные условия. В другой части ячейки – катодной камере, напротив, барботировали воздух. Скорость подачи воздуха составила 1,5 л/мин. Аэрацию производили при помощи лабораторных микрокомпрессоров (Dezzie модель D-044). Суспензию исследуемых микроорганизмов помещали в анодную камеру.Следует подчеркнуть важность анаэробных условий в анодной камере, так как в противных условиях микроорганизмы будут использовать в качестве конечного акцептора электронов не электрод анода, а кислород.

Таблица 1. Состав модельной сточной воды (ГОСТ Р 50595-93)

Компонент сточной воды	Массовая концентрация, мг/дм3
натрий углекислый	50,0
натрий уксусно-кислый	50,0*
калий фосфорно-кислый однозамещенный	25,0
аммоний фосфорно-кислый двузамещенный	25,0
кальций хлористый	7,5
магний серно-кислый	5,0*
пептон	100-150 (до ХПК= 220х20 мгО 2 /дм3)

Примечание: * - в пересчете на безводные соли

В качестве объекта исследования брали два штамма изолированных из консорциума эффективных микроорганизмов препарата «Восток». Эффективными микроорганизмами (ЭМ) называют регенеративные штаммы микроорганизмов, в совокупности выполняющих весь спектр функций по питанию растений, их защите от болезней и оздоровлению почвенной среды. К ним относятся фотосинтезирующие бактерии, молочнокислые бактерии, дрожжи, актиномице-ты, ферментирующие грибы (типа Aspergillus и Penicillium) и др.» переделать [5]. ЭМ-препараты применяют при утилизации твердых бытовых отходов, очистке сточных вод, для прикорма скота [5].

Среды и условия культивирования. Общее микробное число определяли, используя метод серийных разведений с последующим высевом на РПА (36 г/л ГРМ-агара, 1% бактериологического агара) (метод Коха)[1]. Все показатели (титр, напряжение) определяли сразу и через 8, 10, 24 часов. Регистрацию потенциала микробного топливного элемента проводили с помощью мультиметра ДТ 9208 А. Статистическая обработка результатов проведена с использованием пакета программ MS Office 2010. Рассчитывали средние арифметические величины (М) и доверительные интервалы. Выводы сделаны при вероятности безошибочного прогноза Р ≥ 0,95.

Результаты и обсуждение. Выделенные из ЭМ препарата «Восток» штаммы (изолят №3 и изолят №6) представлены спорообразующими палочками. Окраска по грамму у изолята №3 положительная, а изолята №6 – отрицательная. Оба штамма ферментировали глюкозу, лактозу, мальтозу, манит и глицерин. Все используемые изоляты восстанавливали нитраты, образовывали аммиак. Реакция Хью-Лейсона положительная.

ЭМ (ОМЧ) ^^^^^™ ЭМ (напряжение)

Рис. 2. ЭДС и ОМЧ при добавлении ЭМ-препарата «Восток» в анодную камеру

В анодную камеру МТЭ приливали модельную сточную воду и добавляли ЭМ препарат «Восток», изолят №3 или изолят №6. В катодной камере находилась предварительно стерилизованная модельная сточная вода. В качестве контроля использовали МТЭ, в анодную и катодную камеры которого не добавляли микроорганизмы. В течение всего эксперимента существенного роста бактерий в контрольных камерах не фиксировали. Максимальная ЭДС в контрольной ячейке не превышало 80 mV. Во всех пробах, в которых использовались микроорганизмы, напряжение было значительно выше.

Ячейка с ЭМ-препаратом «Восток». В течение первых 8 часов эксперимента отмечали незначительное понижение титра микроорганизмов (с 1,8±0,2×10⁷ до 1,1±0,2×10⁷ КОЕ/мл). Вместе с тем зафиксировали повышение ЭДС в МТЭ (с 250±37,5 до 330±49,5 mV). В период с 10 до 24 часов эксперимента общее микробное число (ОМЧ) незначительно увеличивалось (с

• 1,2±0,2×10⁷ до 3,3±0,2×10⁷ КОЕ/мл). За этот же период происходил рост напряжения (с 330±49,5 до 450±67,5 mV) (рис. 1).

Ячейка с изолятом №3. В течение первых 8 часов эксперимента отмечали значительный рост титра микроорганизмов (с 2,93±0,2×10⁵ до 2,2±0,2×10⁶ КОЕ/мл). Так же было зафиксировано повышение ЭДС в МТЭ (с 374±56,1 до 504±75,6 mV). В период от 10 до 24 часов эксперимента наблюдали увеличение ОМЧ (с 2,32±0,2×10⁶ до 1,24±0,2×10⁶ КОЕ/мл). За этот же отрезок времени отмечали колебание в ЭДС с 495±74,3 до 470±70,5 mV (рис. 2).

S 500

Я 400

I 300

к р к сЗ Я

10 ч

0 ч             8 ч изолят №3 (титр)

24 ч

изолят №3 (напряжение)

о

Рис. 3. ЭДС и ОМЧ при добавлении изолята №3» в анодную камеру

Ячейка с изолятом №6. В течение первых 8 часов эксперимента наблюдали незначительное повышение титра (с 3,0±0,2×10⁵ до 1,6±0,2×10⁶ КОЕ/мл). Также фиксировали повышения ЭДС в микробном топливном элементе (с

210±31,5 до 362±54,3 mV). Рост ОМЧ наблюдали в период с 10 до 24 часов эксперимента (с 1,5±0,2×106 до 7,8±0,2×106 КОЕ/мл). В этот же период происходило увеличение ЭДС (с 396±59,4 до 463±69,5 mV) (рис. 3).

изолят №6 (титр) ^^^^^^е изолят №6 (напряжение)

Рис. 4. ЭДС и ОМЧ при добавлении изолята №6 в анодную камеру

Выводы: ЭДС в МТЭ, в которых в анодной камере находились препараты консорциума ЭМ «Восток» или изоляты, выделенные из него, было существенно выше, чем в контроле, что позволяет говорить о вкладе микроорганизмов в работу МТЭ. Эксперименты показали, что при добавлении ЭМ-препарата «Восток» в МТЭ ЭДС в них достигала через 24 часа 450±67,5 mV, у изолята №3 470±70,5 mV, изолят №6 463±69,5 mV. Таким образом, показана перспективность использования препарата ЭМ «Восток» и изолированных из него микроорганизмов в качестве биоагента для работы в МТЭ.

Работа проводилась при частичной поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашения ГК: № 14.B37.21.0785 от 24.08.2012, № 11.519.11.5016 от 28.10.11, № 14.B37.21.1225 от 18.09.2012) и Программы стратегического развития.