Топливные элементы

Лаборатория гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН занимает в России ведущие позиции по изучению термофилов — микроорганизмов, которые способны активно развиваться не только при крайне высоких температурах, но и в вовсе непригодных для жизни условиях: в скоплениях отравляющего угарного газа, нефтяных месторождениях, гейзерах, горячих источниках вулканических зон. Сфера применения ферментов из термофилов довольно широка: молекулярная биология, текстильная и пищевая промышленности, производство моющих средств... В этих областях можно ещё совершить настоящий прорыв, убеждены учёные.

Учёные из Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН готовятся к традиционной летней экспедиции на Камчатку, в кальдеру вулкана Узон (Кроноцкий заповедник). В этом году перед исследователями стоит новая задача, связанная с получением «микробного электричества» — поиск в горячих источниках электрогенных сообществ микроорганизмов.

Лаборатория гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН занимает в России ведущие позиции по изучению термофилов — микроорганизмов, которые способны активно развиваться не только при крайне высоких температурах, но и в вовсе непригодных для жизни условиях: в скоплениях отравляющего угарного газа, нефтяных месторождениях, гейзерах, горячих источниках вулканических зон. Сфера применения ферментов из термофилов довольно широка: молекулярная биология, текстильная и пищевая промышленности, производство моющих средств, стиральных порошков и т. д. Так что в этих областях можно ещё совершить настоящий прорыв, убеждены учёные. В поисках новых микроорганизмов учёные ежегодно ездят в экспедиции. Чаще всего на Камчатку, где много горячих источников.

Исследователи сосредоточены на изучении микроорганизмов с новыми типами дыхания. Многие термофилы растут анаэробно (без кислорода), используют для дыхания разные газы, в том числе угарный, а также всевозможные неорганические источники энергии. Например, вместо кислорода восстанавливают серу. Около 10 — 15 лет назад была впервые сформулирована идея существования «микробных топливных элементов» (microbial fuel cells). Одним из её основоположников стал американский микробиолог Дерек Лавли, специализирующийся на микроорганизмах, которые восстанавливают нерастворимое железо. Из-за того, что оксиды железа плохо растворяются, в ходе эволюции у микроорганизмов выработались высокоэффективные механизмы переноса электронов на твёрдое вещество-акцептор. Суть получения «микробного электричества» — «обмануть» бактерии, подменив железо необходимым исследователю материалом. Если поместить культуру микроорганизмов на анод топливного элемента, то он вместо железа будет получать электроны от ферментных систем клетки. За счёт этих электронов в топливном элементе потечёт электрический ток. Таким образом, можно говорить о создании именно «микробного» топливного элемента (проще говоря, «микробной батарейки»).

Первые эксперименты с железовосстанавливающими микроорганизмами рода Geobacter подтвердили эти предположения и привели к созданию нового направления микробной физиологии — исследованию электрогенных микроорганизмов. В настоящее время это направление активно развивается в мире различными научно-исследовательскими группами.

«Мы уже давно занимаемся экологией и физиологией термофильных железовосстанавливающих организмов, — рассказывает Сергей Гаврилов, научный сотрудник лаборатории гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН. — Сейчас решили приступить к изучению „микробного электрогенеза“ — процесса, который аналогичен восстановлению нерастворимых форм железа. В ходе экспедиции на Камчатку планируем получить накопительные культуры электрогенных микроорганизмов из нескольких богатых железом источников. В дальнейшем приступим к выделению новых электрогенных организмов, обеспечивающих эффективный перенос электронов на анод и, соответственно, высокую плотность тока в топливных элементах».

В мире активно разрабатываются технологии переработки сточных вод и органических отходов с применением микробных топливных элементов. Есть и более интересные области применения: например, в США существует «пилотное» производство датчиков, использующих энергию осадочных микробных топливных элементов, в которых электрогенные организмы развиваются на аноде, погружённом в анаэробную зону донных отложений, а катодом служит электрод, погружённый в поверхностную, насыщенную кислородом воду. Использование таких устройств незаменимо в труднодоступных местах (например, для сейсмодатчиков на океанском дне). В России исследования в этой области только начинаются.