Введение к работе
Актуальность работы: В настоящее время основная часть потребностей в электроэнергии удовлетворяется путём использования невосполнимых природных ресурсов, что влечёт за собой возникновение серьёзных экологических проблем. В связи с этим актуальным направлением при поиске и создании альтернативных источников электрической энергии является разработка биотопливных элементов (БТЭ). В основе функционирования этих устройств лежат процессы биокаталитического окисления органических веществ и преобразование энергии микробного метаболизма в электрическую. Основой БТЭ является биокатализатор, в качестве которого могут выступать либо ферменты, либо целые клетки микроорганизмов. Использование бактериальных клеток в качестве биокатализатора БТЭ устраняет необходимость выделения индивидуальных ферментов, и позволяет активному биоматериалу работать в условиях, близких к их естественной среде, а, следовательно, с более высокой производительностью. Процесс медиаторного биоэлектрокатализа представляет собой последовательный перенос зарядов в системе "окисляемый субстрат - бактериальные клетки - медиатор электронного транспорта - электрод". Ранее закономерности окисления субстратов целыми клетками микроорганизмов в присутствии медиаторов электронного транспорта исследовались некоторыми научными группами. Однако внимание в этих работах было уделено особенностям взаимодействия бактериальных клеток и медиаторов электронного транспорта в биосенсорных системах, в условиях биоэлектрокаталитического окисления субстратов, т.е. при заданном потенциале окисления редокс-соединений. Изучение характеристик процессов переноса заряда в микробных БТЭ на основе бактерий и медиаторов электронного транспорта имеет свои особенности.
Одним из важнейших факторов функционирования БТЭ являются свойства биокатализаторов на основе целых клеток микроорганизмов. Представляется актуальным изучение вопроса использования в качестве биокатализатора бактерий рода Gluconobacter, обладающих уникальной организацией метаболической системы, характеризующейся высокой оперативностью электронтранспортной цепи и мембранной локализацией основных ферментов - дегидрогеназ, осуществляющих неполное окисление углеродных субстратов, что обеспечивает лёгкий доступ медиатора к активным центрам ферментов. Необходимо отметить, что представленные в литературе данные по моделям БТЭ носят в подавляющем большинстве прикладной характер и направлены на конструирование элементов с высокими энергетическими характеристиками, при этом фундаментальные основы передачи заряда в таких системах и функционирование микробных биотопливных элементов на основе бактерий Gluconobacter oxydans ранее систематически не исследовались. Таким образом, изучение характеристик процессов переноса заряда в микробных биотопливных элементах на основе бактерий Gluconobacter oxydans является актуальной задачей, поскольку может представить новые данные об особенностях использования уксуснокислых бактерий, как нового типа биокатализатора при разработке биотопливных элементов.
Работа выполнялась при частичной поддержке грантов ВП «Развитие научного потенциала высшей школы» Р.Н.П. 2.1.1.7789, и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» госконтракт № 02.740.11.0296.
Цель работы:
Выявление физико-химических особенностей и закономерностей процесса переноса зарядов в системе «окисляемый субстрат - бактериальные клетки -медиатор - электрод».
В задачи работы входило:
Выбор водорастворимого медиатора электронного транспорта, способного эффективно взаимодействовать с ферментами, локализованными в мембране бактериальных клеток, и оценка его электрохимического поведения в изучаемой системе БТЭ.
Сравнительная оценка эффективности окисления индивидуальных субстратов бактериями рода Gluconobacter в условиях биотопливного элемента. Изучение возможности участия цитохромов во внеклеточном переносе заряда при использовании медиаторов электронного транспорта.
Изучение влияния концентрации субстрата, рН буферного раствора и концентрации медиатора на величину генерируемого потенциала.
Изучение влияния температуры на величину генерируемой ЭДС и определение термодинамических и кинетических параметров процесса генерации потенциала в БТЭ.
Определение энергетических характеристик изучаемого макета БТЭ и оценка возможности использования отходов бродильных производств в качестве топлива.
Научная новизна работы:
Проведена количественная оценка эффективности окисления субстратов бактериями Gluconobacter oxydans в условиях медиаторного биотопливного элемента. Предложено использовать величину генерируемого потенциала в БТЭ как критерий эффективности биокатализатора в окислительно-восстановительных реакциях при участии медиаторов электронного транспорта для определения субстратной специфичности бактерий. Установлено, что профиль субстратной специфичности существенно отличается для двух штаммов Gluconobacter oxydans. Наиболее широким спектром окисляемых субстратов обладает штамм Gluconobacter oxydans subsp. melanogenes (BKM В-1227), который в отличие от штамма Gluconobacter oxydans subsp. industrius (BKM B-1280) окисляет фруктозу и сахарозу.
Впервые установлено, что введение в плазматическую мембрану бактерий дополнительных гем-содержащих субъединиц оксидоредуктаз не приводило к значительному изменению в электрохимическом взаимодействии бактерий с графитовыми электродами опосредованном медиаторами электронного транспорта.
Изучено влияние температуры на функционирование микробного БТЭ, впервые получены термодинамические параметры (температурный коэффициент ЭДС, изменения свободной энергии Гиббса, энтропия, энтальпия и константа равновесия) и эффективная энергия активации процесса генерации потенциала.
Практическая значимость:
Разработан действующий макет биотопливного элемента на основе микробных клеток Gluconobacter oxydans и медиатора электронного транспорта. Эта разработка отмечена свидетельством на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, ВВЦ, 2006 г.) и двумя медалями конкурсов молодых ученых, проводимых в рамках Московского международного
конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва 2007 г. и 2010 г.)
Выявленный в ходе выполнения исследований широкий спектр окисляемых субстратов для штамма Gluconobacter oxydans subsp. melanogenes (BKM B-1227) создает реальные предпосылки для его практического использования в качестве биокатализатора в БТЭ и биосенсорах для определения БПК.
Показана возможность использования в качестве топлива для БТЭ отходов бродильного производства.
Результаты работы внедрены в учебный процесс: поставлены две новые лабораторные работы «Определение энергетических параметров микробного БТЭ» и «Определение термодинамических характеристик процесса генерации потенциала в БТЭ» по курсам «Биосенсоры» и «Химические основы жизни» для студентов специальностей 020100 Химия и 240901 Биотехнология.
Апробация работы:
Материалы диссертации были представлены на российских и международных конференциях: на 8-м Международном семинаре-презентации инновационных научно-технических проектов «Биотехнология 2005» (Москва, 2005 г.) на 9 и 10-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых (Пущино, 2005, 2006 гг.), на Международной научной конференции «Биотехнология охране окружающей среды» (Москва, 2006 г.), на Международной научной конференция «Микроорганизмы и биосфера» (Москва, 2007 г.), на Российской школе конференции молодых учёных «Экотоксикология: современные биоаналитические системы, методы и технологии» (Тула-Пущино 2006, 2009 гг.), на 6-й весенней встрече Международного общества электрохимиков «Электрохимия здоровой планете» (Фоз-до-Игуасу, Бразилия, 2008г.), на 5-м съезде общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова (Москва 2009 г.), Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2007, 2010 г.).
По теме диссертации опубликовано 5 статей и 9 сообщений в тезисной форме и в виде материалов конференций.
Структура и объем работы:
