«ИЗВЕСТИЯ ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА». СЕРИЯ «БИОЛОГИЯ. ЭКОЛОГИЯ»
«IZVESTIYA IRKUTSKOGO GOSUDARSTVENNOGO UNIVERSITETA». SERIYA «BIOLOGIYA. ECOLOGIYA»
«THE BULLETIN OF IRKUTSK STATE UNIVERSITY». SERIES «BIOLOGY. ECOLOGY»
ISSN 2073-3372 (Print)

Список выпусков > Серия «Биология. Экология». 2021. Том 37

Новые и модифицированные конструкции биотопливных элементов

Автор(ы)
Г. О. Жданова
Аннотация
Представлен обзор оригинальных новых и модифицированных конструкций биотопливных элементов (БТЭ): двухкамерных ячеек с протонообменной мембраной и однокамерных безмембранных. Разработанные модели позволяют изучать динамику рН, окислительно-восстановительных потенциалов, химического потребления кислорода модельной сточной воды, концентраций субстратов и прирост численности клеток микроорганизмов-электрогенов. Описана модификация БТЭ, позволяющая собирать водород, генерируемый на катодном электроде. Представлены конструктивные решения, удешевляющие, упрощающие и повышающие доступность технологии БТЭ. Показано, что в качестве биоагентов в описанных БТЭ хорошо работают общедоступные коммерческие микробиологические препараты для компостирования, выгребных ям и септиков, биоудобрения и индивидуальные штаммы микроорганизмов.
Об авторах
Жданова Галина Олеговна, ведущий инженер, Иркутский государственный университет, Россия, 664003, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 1, e-mail: zhdanova86@yandex.ru
Ссылка для цитирования
Жданова Г. О. Разработка и модификация конструкций биотопливных элементов // Известия Иркутского государственного университета. Серия Биология. Экология. 2021. Т. 37. С. 70–88. https://doi.org/10.26516/2073-3372.2021.37.70
Ключевые слова
биотопливный элемент, генерирование электричества, биотехнология, двухкамерные БТЭ, безмембранные БТЭ
УДК
573.6
DOI
https://doi.org/10.26516/2073-3372.2021.37.70
Литература

Ацидофильные хемолитотрофные микроорганизмы: перспективы применения в биогидрометаллургии и в микробных топливных элементах / О. Б. Калашникова, А. В. Кашевский, Н. С. Варданян, Д. Эрдэнэчимэг, Г. О. Жданова, И. А. Топчий, О. Н. Понаморева, О. Ф. Вятчина, Д. И. Стом // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11. N 1. С. 34–52. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2021-11-1-34-52

Микробиологический препарат «Доктор Робик 109» как биоагент для получения электрического тока в МТЭ при добавлении жиров / О. С. Коркина, Г. И. Сарапулова, Г. О. Жданова, Ю. О. Горбунова, Е. А. Иванчиков, Д. И. Стом, В. Н. Бешков // Известия Иркутского государственного университета. Серия Биология. Экология. 2019. Т. 28. С. 17–25. https://doi.org/10.26516/2073-3372.2019.28.17

A comprehensive review of microbial electrolysis cells (MEC) reactor designs and con-figurations for sustainable hydrogen gas production / K. Y. Simayi, P. Abdeshahian, N. F. Azman, K. Chandrasekhar, M. S. Kalil // Alex. Eng. J. 2016. Vol. 55. Р. 427–443. https://doi.org/10.1016/j.aej.2015.10.008

A glassy carbon electrode modified with reduced graphene oxide and gold nanoparticles for electrochemical aptasensing of lipopolysaccharides from Escherichia coli bacteria / M. Pourmadadi, J. S. Shayeh, M. Omidi, F. Yazdian, M. Alebouyeh, L. Tayebi // Microchim. Ac-ta. 2019. Vol. 186. Р. 787. https://doi.org/10.1007/s00604-019-3957-9

A review of microbial desalination cell technology: Configurations, optimization and ap-plications / A. Al-Mamun, W. Ahmad, M. S. Baawain, M. Khadem, B. R. Dhar // J. Clean. Prod. 2018. Vol. 183. P. 458–480. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.02.054

Acidophilic microorganisms Leptospirillum sp., Acidithiobacillus sp., Ferroplasma sp. as a cathodic bioagents in a MFC / D. I. Stom, G. O. Zhdanova, O. B. Kalashnikova, A. G. Bulaev, A. V. Kashevskii, A. B. Kupchinsky, N. S. Vardanyan, O. N. Ponamoreva, S. V. Alferov, M. N. Saksonov, A. N. Chesnokova, M. Yu. Tolstoy // Geomicrobiol. J. 2021. Vol. 38. N 4. Р. 340–346. https://doi.org/10.1080/01490451.2020.1856980

Ali A., Audi M., Roussel Y. Natural Resources Depletion, Renewable Energy Consump-tion and Environmental Degradation: A Comparative Analysis of Developed and Developing // Int. J. Energy Econ. 2021. Vol. 11. N 3, Р. 251–260. https://doi.org/10.32479/ijeep.11008

Application of eukaryotic and prokaryotic laccases in biosensor and biofuel cells: recent advances and electrochemical aspects / Y. Zhang, Z. Lv, J. Zhou, F. Xin, J. Ma, H. Wu, Y. Fang, M. Jiang, W. Dong // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2018. Vol. 102. Р. 10409–10423. https://doi.org/10.1007/s00253-018-9421-7

Applications of Graphene in Microbial Fuel Cells: The Gap between Promise and Reali-ty / E. Mekawy, H. M. Hegab, D. Losic, C. P. Saint, D. Pant // Renew. Sust. Energ. Rev. 2017. Vol. 72. P. 1389–1403. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.10.044

Biocathode of microbial fuel cells based on nitrate-reducing strains of Pseudomonas aeruginosa / O. F. Vyatchina, D. I. Stom, S. Goel, B. Xie // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020. Vol. 408. 012084. https://doi.org/10.1088/1755-1315/408/1/012084

Bioelectrochemical processes of oxidation of dicarboxylic amino acids by strain Micro-coccus luteus 1-I in a biofuel cell / A. V. Kuznetsov, N. N. Khorina, E. Yu. Konovalova, D. Yu. Amsheev, O. N. Ponamoreva, D. I. Stom // IOP Conf. Ser. : Earth Environ. Sci. 2021. Vol. 808. 012038. https://doi.org/10.1088/1755-1315/808/1/012038

Bioelectrochemical systems for a circular bioeconomy / S. Jung, J. Lee, Y.-K. Park, E. E. Kwon // Bioresour. Technol. 2020. Vol. 300. 122748. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122748

Comparative analysis of electrogenic activity of complex microbial preparations in mi-crobial fuel cells / G. O. Zhdanova, E. Yu. Konovalova, M. Yu. Tolstoy, A. V. Kashevsky, L. Barbora, P. Goswami, S. Goel, V. A. Fialkow, A. B. Kupchinsky, D. I. Stom // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2019. Vol. 272. 032161 https://doi.org/10.1088/1755-1315/272/3/032161

Current advances of VOCs degradation by bioelectrochemical systems: A review / S. Zhang, J. You, C. Kennes, Z. Cheng, J. Ye, D. Chen, J. Chen, L. Wang // Chem. Engin. J. 2018. Vol. 334. P. 2625–2637. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.11.014

Direct Electrochemical Interaction between a Modified Gold Electrode and a Bacterial Mem-brane Extract / L. J. C. Jeuken, S. D. Connell, M. Nurnabi, J. O'Reilly, P. J. F. Henderson, S. D. Evans, R. J. Bushby // Langmuir. 2005. Vol. 21. Р. 1481–1488. https://doi.org/10.1021/la047732f

Electroactive microorganisms in bioelectrochemical systems / B. E. Logan, R. Rossi, A. Ragab, P. E. Saikaly // Nat. Rev. Microbiol. 2019. Vol. 17. Р. 307–319. https://doi.org/10.1038/s41579-019-0173-x

Energy Recovery with Microbial Fuel Cells: Bioremediation and Bioelectricity / D. Bose, V. Kandpal, H. Dhawan, P. Vijay, M. Gopinath // Waste Bioremediation. Energy, Environment, and Sustainability / S. Varjani, E. Gnansounou, B. Gurunathan, D. Pant, Z. Zakaria (eds). Springer, Singapore. 2018. pp 7–33. https://doi.org/10.1007/978-981-10-7413-4_2

Formate production from CO2 electroreduction in a salinity-gradient energy intensified mi-crobial electrochemical system / Y. Tian, D. Li, G. Liu, C. Li, J. Liu, J. Wu, J. Liu, Y. Feng // Bioresour. Technol. 2021. Vol. 320. Part A. 124292. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124292

Glaven S. M. Bioelectrochemical systems and synthetic biology: more power, more products // Microb. Biotechnol. 2019. Vol. 12(5). Р. 819–823. https://doi.org/10.1111/1751-7915.13456

Intensification of work of biofuel elements of heterogeneous metal complex catalysts "Catan" / D. A. Kochetkova, А. К. Onishchenko, О. B. Kalashnikova, G. О. Zhdanova, D. I. Stom // 19th Int. Sci. Geoconf. SGEM 2019. 2019. Vol. 19, Is. 4.1. Р. 263–270

Kittl S. R., Ludwig R., Gorton L. Direct Electron Transfer from the FAD Cofactor of Cellobiose Dehydrogenase to Electrodes // ACS Catalysis. 2016. Vol. 6. Р. 555–563. https://doi.org/10.1021/acscatal.5b01854

Konwar G. B. E., Mahanta D. Flexible Biofuel Cells: An Overview // Biofuel Cells / Inamuddin, M. I. Ahamed, R. Boddula, M. Rezakazemi (eds). 2021. https://doi.org/10.1002/9781119725008.ch6

Long-term Operation of Microbial Electrosynthesis Systems Improves Acetate Production by Autotrophic Microbiomes / C. W. Marshall, D. E. Ross, E. B. Fichot, R. S. Norman, H. D. May // Environ. Sci. Technol. 2013. Vol. 47. Р. 6023–6029. https://doi.org/10.1021/es400341b

Mateos E. R., Martínez E. J., Blanes J. Microbial electrolysis cells: An emerging tech-nology for wastewater treatment and energy recovery. From laboratory to pilot plant and be-yond // Renew. Sustain. Energy Rev. 2016. Vol. 55. 942e956. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.11.029

Microbial mat of the thermal springs Kuchiger Republic of Buryatia: species composi-tion, biochemical properties and electrogenic activity in biofuel cell / D. A. Yuriev, S. V. Zaitseva, G. O. Zhdanova, M. Yu. Tolstoy, D. D. Barkhutova, O. F. Vyatchina, E. Yu. Konovalova, D. I. Stom // IOP Conf. Ser. : Earth Environ. Sci. 2018. Vol. 121. 022012. https://doi.org/10.1088/1755-1315/121/2/022012

Micrococcus luteus and Serratia marcescens, as a new association of bioagents for mi-crobial fuel cells / E. Yu. Konovalova, L. Barbora, K. I. Chizhik, D. I. Stom // IOP Conf. Ser. : Earth Environ. Sci. 2020. Vol. 408. Sustainable and Efficient Use of Energy, Water and Natu-ral Resources: 2nd Int. Sci. Conf. 012080. https://doi.org/10.1088/1755-1315/408/1/012080

Nearly Monodisperse Carbon Nanotube Furnished Nanocatalysts as Highly Efficient and Reusable Catalyst for Dehydrocoupling of DMAB and C1 to C3 Alcohol Oxidation / Ç. S. Kuzu, E. Erken, H. Sert, Y. Koşkun, F. Şen // Int. J. Hydrog. Energy. 2016. Vol. 41. Р. 3093–3101. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.12.138

Paquete C. M. Electroactivity across the cell wall of Gram-positive bacteria // Comput. Struct. Biotechnol. J. 2020. Vol. 18. Р. 3796–3802. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2020.11.021

Performance of Exoelectrogenic Bacteria Used in Microbial Desalination Cell Technolo-gy / L. Guang, D. A. Koomson, H. Jingyu, D. Ewusi-Mensah, N. Miwornunyuie // Int. J. Envi-ron. Res. Public Health. 2020. Vol. 17(3). Р. 1121. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2020.11.021

Rasmussen M., Abdellaoui S., Minteer S. D. Enzymatic Biofuel Cells: 30 Years of Criti-cal Advancements // Biosens. Bioelectron. 2016. Vol. 76. Р. 91–102. https://doi.org/10.1016/j.bios.2015.06.029

Recent progress of graphene based nanomaterials in bioelectrochemical systems / A. G. Olabi, T. Wilberforce, E. T. Sayed, K. Elsaid, H. Rezk, M. A. Abdelkareem // Sci. Total Envi-ron. 2020. Vol. 749. 141225. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141225

Redox Electrochemistry to Interrogate and Control Biomolecular Communication / E. V. Arsdale, J. Pitzer, G. F. Payne, W. E. Bentley // iScience. 2020. Vol. 23(9). 101545. https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101545

Stom D. I., Zhdanova G. O., Kashevskii A. V. New designs of biofuel cells and testing of their work // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 262. Int. Conf. on Construction, Archi-tecture and Technosphere Safety. 012219. https://doi.org/10.1088/1757-899X/262/1/012219

Suppressing methanogens and enriching electrogens in bioelectrochemical systems / D. A. Jadhav, A. D. Chendake, A. Schievano, D. Pant // Bioresour. Technol. 2019. Vol. 277. P. 148–156. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.12.098

The effect of bioelectrochemical systems on antibiotics removal and antibiotic resistance genes: A review / W. Yan, Y. Xiao, W. Yan, R. Ding, S. Wang, F. Zhao // Chem. Eng. J. 2019. Vol. 358. P. 1421–1437. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.10.128

The Microorganisms Used for Working In Microbial Fuel Cells / E. Yu. Konovalova, D. I. Stom, G. O. Zhdanova, D. A. Yuriev, Y. Li, L. Barbora, P. Goswami // AIP Conf. Proc. 2018. Vol. 1952. 020017. https://doi.org/10.1063/1.5031979

The production of biofuel and the generation of electricity by Clostridium acetobutyli-cum in microbial fuel cells / Yu. O. Gorbunova, L. S. Karpukhina, M. Yu. Tolstoy, S. S. Timo-feeva, D. I. Stom // 18th Int. Sci. Geoconf SGEM 2018 (Albena, Bulgaria). 2018. Vol. 18 En-ergy and Clean Technologies, Is. 4.1. P. 705–712.

Use of Carbon Mesh Anodes and the Effect of Different Pretreatment Methods on Power Production in Microbial Fuel Cells / X. Wang, S. Cheng, Y. Feng, M. D. Merrill, T. Saito, B. E. Logan // Environ. Sci. Technol. 2009. Vol. 43. Р. 6870–6874. https://doi.org/10.1021/es900997w

Value added products from wastewater using bioelectrochemical systems: Current trends and perspectives / T. Wilberforce, E. T. Sayed, M. A. Abdelkareem, K. Elsaid, A. G. Olab // J. Water Process Eng. 2021. Vol. 39. 101737. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101737

Xafenias N., Mapelli V. Performance and bacterial enrichment of bioelectrochemical systems during methane and acetate production // Int. J. Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. Р. 21864–21875. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.05.038

Zhdanova G. O., Dukhnov S. S., Stom D. I. Single-cell biofuel element of simple con-struction from sanitary parts and testing of its work // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 451. Int. Conf. on Construction, Architecture and Technosphere Safety. 012230. URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/451/1/012230

Zhdanova G. О., Stom D. I., Azarenko Е. V. Elimination of nitrate ions in biofuel cells // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2019. Vol. 229. Prospects Mining and Metallurgy Industry Development. 012031. https://doi.org/10.1088/1755-1315/229/1/012031


Полная версия (русская)