Наночастицы серебра помогли бактериям генерировать электрическую энергию

Благодаря образованию положительных ионов серебра бактерии Shewanella сформировали плотную биопленку на поверхности электрода с продуктивным трансфером электронов. О новой разработке ученые сообщили в журнале Science. Микробные топливные элементы — это такие системы, использующие метаболические пути микроорганизмов для преобразования химической энергии органических веществ в электрическую. Такие устройства активно изучаются как источники возобновляемой электроэнергии и одновременно очистители сточных вод. Система похожа на электролитическую ячейку. В резервуар с двумя растворами, разделенной протонообменные мембраной, погружены анод и катод. Поверхность анода покрыта биопленкой из бактерий, а в анодной камере в растворе имеются органические молекулы, которыми питаются микроорганизмы. Электроны, образующиеся при метаболическом окисления этих веществ в цитоплазме бактерий переносятся на анод путем последовательных окислительно-восстановительных реакций. Сначала происходит трансмембранный транспорт электронов — между внутренней и внешней мембраной бактерий, а затем уже внеклеточного переноса электронов. Каждый из этих этапов может содержать несколько промежуточных стадий, поэтому это существенно ограничивает эффективность передачи заряда.

Хотя подобные системы и разрабатываются уже достаточно давно, до сих пор существует ряд ограничений их применения в реальной жизни. Такие элементы генерируют относительно небольшое количество электрической энергии. Это может быть обусловлено несколькими причинами: недостаточным контактом бактерий с электродом, скоростью окислительно-восстановительных реакций в бактериях или эффективностью переноса электронов на анод. Поэтому ученые, прежде всего, пытаются улучшить электрические характеристики микробных топливных элементов.

Ученые Калифорнийского университета разработали микробный топливный элемент, анод которого изготовлен из восстановленного оксида графена и наночастиц серебра (rGO / Ag). Именно эта комбинация позволила значительно повысить эффективность работы топливного элемента. Несмотря на то, что серебро обладает антибактериальными свойствами, оно не влияет на бактерии рода Shewanella. На изображениях конфокальной сканирующей микроскопии с использованием флуоресцентного красителя видно, что на rGO / Ag электроде количество живых бактерий даже выше, чем на аналогичном при отсутствии наночастиц серебра. Образование более плотной пленки из бактерий подтвердила и сканирующая электронная микроскопия.

Электрические характеристики нового электрода существенно лучшие по сравнению с электродом на основе графита оксида или графитной бумаги. Мощность достигала 0,66 милливатт на квадратный см, что примерно в 5 раз выше, чем для простого оксида графита. А максимальная сила тока была почти 4 миллиампер на квадратный сантиметр, тогда как для оксида графита эта характеристика составляла 0,6 миллиампер на сантиметр квадратный. Повышение плотности силы тока можно объяснить увеличением количества бактерий на поверхности электрода или более эффективным переносом электронов. Методами сканирующей туннельной микроскопии и Энергодисперсионный рентгеновской спектроскопии было обнаружено, что наночастицы серебра доступны не только на поверхности бактерий, но и в меж мембранном пространстве. Авторы предполагают, что на электроде медленно образуются катионы серебра, которые мигрируют через мембрану, где восстанавливаются электронами, образованными метаболическими реакциями бактерий. Вероятно, из-за этих наночастиц электроны мигрируют из мембраны к электроду благодаря металлической проводимости. Положительный эффект наночастиц дополнительно подтвердили импедансной спектроскопии. Сопротивление переноса заряда оказался значительно меньше для rGO / Ag электрода по сравнению с графитом оксида без наночастиц.

В будущем, для реализации технологии в системе водоочистки, нужно испытать топливный элемент на реальных образцах сточных вод. Большинство исследований выполняют на модельных системах, в которых присутствует только один вид бактерий, а раствор содержит только несколько компонентов. Зато в сточных водах присутствуют другие микроорганизмы, и очень разнообразен химический состав самого раствора, из которого бактерии должны получать свои питательные вещества для окисления, что может не сказаться на работе биоелектрохимичного генератора.

Перевод материала nauka.ua