High Exoelectrogenic Biofilms Formation in Microbial Fuel Cells

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorShchurska, K. O.
dc.contributor.authorZubchenko, L. S.
dc.contributor.authorSobczuk, H.
dc.contributor.authorKuzminskyy, Ye. V.
dc.date.accessioned2020-04-16T10:53:24Z
dc.date.available2020-04-16T10:53:24Z
dc.date.issued2019
dc.description.abstractenBackground. Microbial fuel cells are devices in which electricity is generated by microorganisms called exoelectrogens. During the process of anaerobic respiration exoelectrogens emit electrons outside the cell. These electrons can be transferred to the anode of biofuel cell via several different mechanisms. Electricity generation in microbial fuel cells depends primarily on the electrochemical activity of the exoelectrogens present in the anode space. Nowadays, the usage of microorganisms, immobilized as biofilms on the anode, is constantly increasing. Natural sources for exoelectrogens selection such as activated sludge, biofilter biofilms, sediments of seas and rivers have a very diverse microbial composition. Therefore, it is important to immobilize relatively deficient in natural sources exoelectrogens on the anode during the biofilm formation process. The main research areas are the development of a technique for obtaining of electroactive biofilms enriched with exoelectrogens along with reduction of the period of biofilm formation process. Objective. We set a goal to study the process of high exoelectrogenic biofilm formation basing on the combination of different methods of exoelectrogens isolation and immobilization at the anode of a microbial fuel cell. Methods. A three-stage technique was used to obtain a highly exoelectrogenic biofilm which, due to the combination of typical isolation and immobilization techniques of exoelectrogens, allows obtaining the biofilm in which the vast majority of microorganisms are exoelectrogens. In the first stage, a biofilter biofilm was used as a source of exoelectrogens. The biofilm formed in the first stage was used as an inoculum for the second stage of biofilm formation. During the second stage an additional selective factor (applied additional potential in the electrical circuit of the microbial fuel cell) was used. The third stage of biofilm formation was the isolation of exoelectrogens capable of reducing ferum (III) compounds from secondary biofilm with subsequent application of these cells as inoculum. Results. The usage of the proposed method allows obtaining of a biofilm enriched with exoelectrogenic bacteria. The maximum current density generated by the biofilm, obtained during the first stage, reaches 140 μA/cm2, during the second – 400 μA/cm2, during the third – 615 μA/cm2. The duration of biofilm formation at each stage was 110 h, 40 h, and 60 h, respectively. Conclusions. It has been proven that the duration of biofilm formation is reduced almost twice as a result of a combination of typical methods of isolation and immobilization of exoelectrogens; obtained biofilm has high electrochemical activity and properties similar to biofilm, formed by pure cultures of exoelectrogens.uk
dc.description.abstractruПроблематика. Микробные топливные элементы – это устройства, в которых происходит генерирование электрической энергии микроорганизмами-экзоэлектрогенами. В процессе анаэробного дыхания экзоэлектрогены способны выделять электроны наружу клетки, откуда последние за счет различных механизмов передаются на анод биотопливного элемента. Генерирование электрической энергии в микробных топливных элементах в первую очередь зависит от электрохимической активности микроорганизмов, присутствующих в анодном пространстве. Сейчас все чаще используют микроорганизмы, иммобилизованные в виде биопленки на аноде. Природные источники выделения экзоэлектрогенных микроорганизмов, такие как активный ил, биопленки биофильтров, донные осадки морей и рек, имеют очень широкий микробный состав. Поэтому важно, чтобы в процессе формирования биопленки именно экзоэлектрогены, которые численно составляют весьма малую долю от общего количества микроорганизмов активного ила, иммобилизировались на аноде. Основными направлениями исследования являются разработка методики получения электроактивных биопленок, обогащенных экзоэлектрогенами, и сокращение продолжительности процесса формирования биопленки. Цель. Исследование процесса формирования высокоэлектрогенной биопленки, основанного на сочетании различных методик выделения и иммобилизации экзоэлектрогенов на аноде микробного топливного элемента. Методика реализации. Для получения высокоэлектрогенной биопленки была использована тристадийная методика, которая за счет сочетания типовых методик изолирования и иммобилизации экзоэлектрогенов позволяет получить биопленку, в которой подавляющее большинство микроорганизмов составляют именно экзоэлектрогены. На первом этапе в качестве источника экзоэлектрогенов использовали биопленку, выделенную из биофильтра. Образовавшуюся биопленку на первой стадии использовали как инокулюм для второго этапа формирования. На второй стадии также использовали дополнительный селективный фактор – прикладывали дополнительный потенциал в электрическую цепь микробного топливного элемента. Третья стадия выделения экзоэлектрогенных микроорганизмов заключалась в выделении из биопленки, сформированной на второй стадии, клеток экзоэлектрогенов, которые способны восстанавливать соединения железа (ІІІ), с последующим использованием этих клеток в качестве инокулюма. Результаты. Использование предложенной методики позволяет получить биопленку, обогащенную экзоэлектрогеннымы бактериями. Максимальная плотность тока, которую генерировала биопленка, полученная на первой стадии, достигает 140 мкА/см2, на второй – 400 мкА/см2, на третьей – 615 мкА/см2. Длительность формирования биопленки составляла 110, 40 та 60 ч соответственно. Выводы. Показано, что в результате сочетания типовых методик изолирования и иммобилизации экзоэлектрогенов продолжительность формирования биопленки сокращается почти вдвое, а полученная биопленка имеет высокую электрохимическую активность и свойства, аналогичные биопленкам чистых культур экзоэлектрогенов.uk
dc.description.abstractukПроблематика. Мікробні паливні елементи – це пристрої, в яких відбувається генерування електричної енергії мікроорганізмами – екзоелектрогенами. В процесі анаеробного дихання екзоелектрогени здатні виділяти електрони назовні клітини, звідки останні за рахунок різних механізмів передаються на анод біопаливного елемента. Генерування електричної енергії в мікробних паливних елементах залежить насамперед від електрохімічної активності мікроорганізмів, присутніх в анодному просторі. Нині все частіше використовують мікроорганізми, що іммобілізовані у вигляді біоплівки на аноді. Природні джерела виділення екзоелектрогенних мікроорганізмів, такі як активний мул, біоплівки біофільтрів, донні осади морів та річок, мають дуже різноманітний мікробний склад. Тому важливо, щоб у процесі формування біоплівки саме екзоелектрогени, які чисельно становлять досить малу частку від загальної кількості мікроорганізмів із природних джерел, іммобізувалися на аноді. Основними напрямами досліджень є розробка методики отримання електроактивних біоплівок, збагачених екзоелектрогенами, та скорочення тривалості процесу формування біоплівки. Мета. Дослідження процесу формування високоекзоелектрогенної біоплівки, заснованого на поєднанні різних методик виділення та іммобілізації екзоелектрогенів на аноді мікробного паливного елемента. Методика реалізації. Для одержання високоекзоелектрогенної біоплівки було використано тристадійну методику, яка за рахунок поєднання типових методик ізолювання та іммобілізації екзоелектрогенів дає можливість отримати біоплівку, в якій переважну більшість мікроорганізмів становлять екзоелектрогени. На першому етапі як джерело екзоелектрогенів використовували біоплівку біофільтра. Біоплівку, що утворилася на першому етапі, використовували як інокулюм для другої стадії формування біоплівки. На другій стадії також використовували додатковий селективний фактор – прикладали додатковий потенціал в електричне коло мікробного паливного елемента. Третя стадія формування біоплівки полягала у виділенні з біоплівки, сформованої на другій стадії, клітин екзоелектрогенів, які здатні відновлювати сполуки заліза (ІІІ), з подальшим використанням цих клітин як інокулюму. Результати. Використання запропонованої методики дає змогу отримати біоплівку, збагачену екзоелектрогенними бактеріями. Максимальна густина струму, яку генерувала біоплівка, отримана на першій стадії, досягає 140 мкА/см2, на другій – 400 мкА/см2, на третій – 615 мкА/см2. Тривалість формування біоплівки на кожній зі стадій становила 110, 40 та 60 год відповідно. Висновки. Показано, що в результаті поєднання типових методик ізолювання та іммобілізації екзоелектрогенів тривалість формування біоплівки скорочується майже вдвічі, а отримана біоплівка має високу електрохімічну активність і властивості, аналогічні біоплівкам, сформованим чистими культурами екзоелектрогенів.uk
dc.format.pagerangePp. 246–252uk
dc.identifier.citationHigh Exoelectrogenic Biofilms Formation in Microbial Fuel Cells / K. O. Shchurska, L. S. Zubchenko, H. Sobczuk, Ye. V. Kuzminskyy // Innovative Biosystems and Bioengineering : international scientific journal. – 2019. – Vol. 3, No. 4. – Pp. 246–252. – Bibliogr.: 26 ref.uk
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/ibb.2019.3.4.185159
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/32953
dc.language.isoenuk
dc.publisherIgor Sikorsky Kyiv Polytechnic Instituteuk
dc.publisher.placeKyivuk
dc.rightsAttribution 4.0 International (CC BY 4.0)en
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/en
dc.sourceInnovative Biosystems and Bioengineering : international scientific journal, 2019, Vol. 3, No. 4uk
dc.subjectmicrobial fuel cellsuk
dc.subjectbiofilmuk
dc.subjectexoelectrogensuk
dc.subjectelectrochemical activityuk
dc.subjectмікробні паливні елементиuk
dc.subjectбіоплівкаuk
dc.subjectекзоелектрогениuk
dc.subjectелектрохімічна активністьuk
dc.subjectмикробные топливные элементыuk
dc.subjectэкзоэлектрогеныuk
dc.subjectбиопленкаuk
dc.subjectэлектрохимическая активностьuk
dc.subject.udc579.088uk
dc.titleHigh Exoelectrogenic Biofilms Formation in Microbial Fuel Cellsuk
dc.title.alternativeФормування високоекзоелектрогенних біоплівок у мікробних паливних елементахuk
dc.title.alternativeФормирование высокоэкзоэлектрогенных биопленок в микробных топливных элементахuk
dc.typeArticleuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
IBB2018.3.4_06.pdf
Розмір:
992.47 KB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Innovative Biosystems and Bioengineering: international scientific e-journal, Vol. 3, No. 4