Preview

Российские нанотехнологии

Расширенный поиск

АНОД БИОТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ БАКТЕРИЯМИ И ИХ МЕМБРАННЫМИ ФРАКЦИЯМИ

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрены четыре типа углеродных волокнистых материалов (УВМ), полученных методом электроформования из растворов полиакрилонитрила. УВМ сопрягали с микробными клетками Gluconobacter oxydans или с их мембранными фракциями (МФ). Исследовали биоэлектрохимические характеристики электродов (хронои вольтамперометрические, импедансные спектры). Электроды рассматривали как модель анода микробного биотопливного элемента (мБТЭ); окисляемым субстратом являлся этиловый спирт. Спектры MALDI-TOF MS показали, что МФ сохраняют белковую структуру целых клеток и поэтому могут использоваться как аналоги целых клеток. Показано, что наибольшей мощностью и стабильностью обладал мБТЭ на основе углеродного волокнистого материала, полученного карбонизацией при температуре 1000 °С в течение 30 мин. В случае использования МФ в качестве биокатализатора для всех исследованных УВМ наблюдали безмедиаторный перенос заряда. Полученные результаты могут быть успешно использованы при конструировании биосенсоров и мБТЭ.

Об авторах

Ю. В. Плеханова
Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук
Россия

142290, Московская обл., Пущино, просп. Науки, 5



С. Е. Тарасов
Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук
Россия

142290, Московская обл., Пущино, просп. Науки, 5



А. Г. Быков
Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук
Россия

142290, Московская обл., Пущино, просп. Науки, 5



Н. В. Присяжная
Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук
Россия

142290, Московская обл., Пущино, просп. Науки, 5



Т. Х. Тенчурин
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 


С. Н. Чвалун
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 


А. С. Орехов
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 


А. Д. Шепелев
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 


П. М. Готовцев
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 


А. Н. Решетилов
Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук; Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия

142290, Московская обл., Пущино, просп. Науки, 5, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 



Список литературы

1. Mathur R.B., Maheshwari P.H., Dhami T.L., Sharma R.K., Sharma C.P. Processing of carbon composite paper as electrode for fuel cell // J Power Sources. 2006. V. 161. P. 790–798.

2. Moreno-Fernandez G., Ibañez J., Rojo J.M., Kunowsky M. Activated carbon fber monoliths as supercapacitor electrodes // Adv Mater Sci Engineering. 2017. V. 2017. Article ID 3625414. 8 p.

3. Minke C., Kunz U., Turek T. Carbon felt and carbon fber-A techno-economic assessment of felt electrodes for redox flow battery applications // J of Power Sources. 2017. V. 342. P. 116–124.

4. Yang Y., Simeon F., Hatton T.A., Rutledge G.C. Polyacrylonitrile-based electrospun carbon paper for electrode applications // J Appl Polym Sci. 2012. V. 124. № 5. P. 3861–3870.

5. Zheng H., Xue H., Zhang Y., Shen Z. A glucose biosensor based on microporous polyacrylonitrile synthesized by single rare-earth catalyst // Biosens Bioelectron. 2002. V. 17. № 6–7. P. 541–545.

6. Campbell A.S., Jose M.V., Marx S., Cornelius S., Koepsel R.R., Islam M.F., Russell A.J. Improved power density of an enzymatic biofuel cell with fbrous supports of high curvature // RSC Adv. 2016. V. 6. P. 10150–10158.

7. Tenchurin T.K., Reshetilov A.N., Plekhanova Yu.V., Tarasov S.E., Bykov A.G., Gutorov M.A., Alferov S.V., Chvalun S.N., Orekhov A.S., Shepelev A.D., Gotovtsev P.M., Vasilov R.G. Carbon superfne materials as a promising material for Gluconobacter oxydans based microbial fuel cells // IOP Conf Ser: Earth Environ Sci. 2018. V. 121. P. 022005.

8. Wang Ya.Q., Huang H.-X., Li B., Li W.-Sh. Novelly developed three-dimensional carbon scaffold anodes from polyacrylonitrile for microbial fuel cells // J Mater Chem A. 2015. V. 3. P. 5110–5118.

9. Khan M.R., Baranitharan E., Prasad D.M.R. Treatment of palm oil mill efuent in microbial fuel cell using polyacrylonitrile carbon felt as electrode // J Med Bioengin. 2013. V. 2. № 4. P. 252–256.

10. Heikkila P., Harlin A. Parameter study of electrospinning of polyamide-6 // Eur Polym J. 2008. V. 44. P. 3067–3079.

11. Rutledge G.C., Fridrikh S.V. Formation of fbers by electrospinning // Adv Drug Deliv Rev. 2007. V. 59. P. 1384–1391.

12. Bhattacharjee P.K., Rutledge G.C. Electrospinning and polymer nanofbers: process fundamentals. In Ducheyne P., Healy K. E., Hutmacher D. W., Grainger D., Kirkpatrick C. J. (Eds.) Comprehensive Biomaterials. Amsterdam Netherlands: Elsevier, 2011. V. 1. P. 497–512.

13. Franks A.E., Nevin K.P. Microbial fuel cells, a current review // Energies. 2010. V. 3. P. 899–919.

14. Logan B.E., Rabaey K. Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals using microbial electrochemical technologies // Sci. 2012. V. 337. № 6095. P. 686–690.

15. Bertokova А., Bertok T., Filip J., Tkáč J. Gluconobacter sp. cells for manufacturing of effective electrochemical biosensors and biofuel cells // Chem Pap. 2015. V. 69. P. 27–41.

16. Решетилов А.Н., Плеханова Ю.В., Тарасов С.Е., Быков А.Г., Гуторов М.А., Алферов С.В., Тенчурин Т.Х., Чвалун С.Н., Орехов А.C., Шепелев А.Д. Готовцев П.М., Василов Р.Г. Оценка свойств биоэлектродов на основе углеродных высокодисперсных материалов, содержащих модельные микроорганизмы Gluconobacter // Российские нанотехнологии. 2017. Т. 12. № 1–2. С. 83–89.

17. Indzhgiya E., Ponamoreva O.N., Alferov V.A., Reshetilov N.A., Lo G. Interaction of ferrocene mediators with Gluconobacter oxydans immobilized whole cells and membrane fractions in oxidation of ethanol // Electroanalysis. 2012. V. 24. № 4. P. 924–930.

18. Reshetilov A.N., Kitova A.E., Kolesov V.V., Yaropolov A.I. Mediator-free bioelectrocatalytic oxidation of ethanol on an electrode from thermally expanded graphite modifed by Gluconobacter oxydans membrane fractions // Electroanalysis. 2015. V. 27. № 6. P. 1443–1448.

19. Алферов С.В., Возчикова С.В., Арляпов В.А., Алферов В.А., Решетилов А.Н. Особенности конкуренции между кислородом и 2,6-дихлорфенолиндофенолом в условиях работы микробного топливного элемента // Прикладная биохимия и микробиология. 2017. Т. 53. № 2. C. 244–250.

20. Дубова Е.А., Больбит Н.М., Дуфлот В.Р. Влияние способа синтеза на микроструктуру цепей и реологию растворов полиакрилонитрила // Естественные и технические науки. 2010. Т. 49. № 4. С. 54–57.

21. Решетилов А.Н., Плеханова Ю.В., Тарасов С.Е., Арляпов В.А., Колесов В.В., Гуторов М.А., Готовцев П.М., Василов Р.Г. Влияние некоторых углеродных наноматериалов на окисление этилового спирта бактериальными клетками Gluconobacter oxydans // Прикладная биохимия и микробиология. 2017. Т. 53. № 1. С. 115–122.

22. Wang X., Gu H., Yin F., Tu Y. A glucose biosensor based on Prussian blue/chitosan hybrid flm // Biosens Bioelectron. 2009. V. 24. № 5. P. 1527–1530.

23. Logan B.E., Regan J.M. Microbial fuel cells-challenges and applications // Environ Sci Technol. 2008. V. 40. P. 5172–5180.

24. Kumar S., Acharya S.K. 2,6-Dichloro-phenol indophenol prevents switch-over of electrons between the cyanide-sensitive and insensitive pathway of the mitochondrial electron transport chain in the presence of inhibitors // Anal Biochem. 1999. V. 268. № 1. P. 89–93.

25. Das P., Das M., Chinnadayyala S.R., Singha I.M., Goswami P. Recent advances on developing 3rd generation enzyme electrode for biosensor applications // Biosens Bioelectron. 2016. V. 79. P. 386–397.

26. Falk M., Blum Z., Shleev S. Direct electron transfer based enzymatic fuel cells // Electrochim Acta. 2012. V. 82. P. 191–202.

27. Mustakeem. Electrode materials for microbial fuel cells: nanomaterial approach // Mater Renew Sustain Energy. 2015. V. 4. P. 22 (11 p). DOI 10.1007/s40243-015-0063-8

28. Koide S., Sasaki T., Sano R., Mogi H., Fukushi Y., Nishioka Y. Flexible biofuel cell with electrodes modifed by glucose oxidase ferrocene and bilirubin oxidase fabricated using microfabrication processes // J Chin Adv Mater Soc. 2014. V. 2. № 3. P. 159–170.


Просмотров: 111


ISSN 1992-7223 (Print)