Микробные электрохимические технологии

Микробные электрохимические технологии (МЭТ) используют микроорганизмы в качестве электрохимического катализатора , объединяя микробный метаболизм с электрохимическими процессами для производства биоэлектричества , биотоплива , H2 и других ценных химикатов. [1] Микробные топливные элементы (МТЭ) и микробные электролизные ячейки (МЭЯ) являются яркими примерами МЭТ. В то время как МТЭ используется для выработки электроэнергии из органического вещества, обычно связанного с очисткой сточных вод , МЭЯ используют электричество для проведения химических реакций, таких как производство H2 или метана . Недавно микробные электросинтетические ячейки (МЭЯ) также появились в качестве перспективных МЭТ, где ценные химикаты могут производиться в катодном отсеке. [2] [3] [4] Другие приложения МЭТ включают микробную рекультивационную ячейку, микробную опреснительную ячейку , микробную солнечную ячейку , микробную химическую ячейку и т. д. [5] [6] [7]

История

Использование микробных клеток для производства электроэнергии было воспринято М. К. Поттером в 1911 году, когда он обнаружил, что «распад органических соединений микроорганизмами сопровождается высвобождением электрической энергии » . [ 8] Заметное дополнение к исследованиям МТЭ было сделано Б. Коэном в 1931 году, [9] когда был создан стек микробных полутопливных элементов, соединенных последовательно, способный производить более 35 В при токе 0,2 мА. Два прорыва были сделаны в конце 1980-х годов, когда были выделены две из первых известных бактерий, способных переносить электроны из внутренней части клетки во внеклеточные оксиды металлов без искусственных окислительно-восстановительных медиаторов: Shewanella (ранее Alteromonas ) oneidensis MR-1 [10] и Geobacter sexualreducens PCA. В конце 90-х годов Ким и др . [11] показали, что бактерия, восстанавливающая Fe(III), S. oneidensis MR-1, является электрохимически активной и может генерировать электричество в МТЭ без добавления каких-либо электронных медиаторов. Эти результаты заложили основу для развития электромикробиологии, и область МТЭ началась. Однако из-за низкой выработки энергии также возникли сомнения относительно того, может ли МТЭ иметь практическое применение для снижения содержания органических веществ в сточных водах . Эта точка зрения изменилась, когда было установлено, что бытовые сточные воды можно очищать до практических пределов, одновременно производя электроэнергию. [12] Кроме того, в МТЭ с использованием глюкозы была продемонстрирована плотность мощности на два порядка выше без необходимости использования экзогенных химических медиаторов. [13] Основываясь на этих работах, гонка за разработку практических приложений МТЭ началась очень быстрыми темпами, при этом основными целями стали разработка крупномасштабной технологии для очистки бытовых, промышленных и других типов сточных вод. [14]

В 2004 году было установлено внеклеточное поглощение электронов (EEU) от катодов к микробам (Geobacter spp.) с прикрепленной биопленкой , где фумарат восстанавливался до сукцината . [15] Эта обратная реакция для электронного транспорта породила область исследований MES. В 2010 году Невин и др. обнаружили, что ацетогенный микроорганизм Sporomusa ovata может преобразовывать CO2 в уксусную кислоту в клетках MES, поглощая электроны из катодного электрода. [16] В последующие годы, также из-за растущей обеспокоенности по поводу выбросов парниковых газов , область биоэлектроконверсии CO2 в клетках MES процветала. Несколько автотрофных микроорганизмов продемонстрировали способность захватывать электроны с катода, как напрямую, так и через посредников. [17] Помимо определенных видов микроорганизмов , было показано, что сообщества, восстанавливающие CO2 , могут быть обогащены в клетках MES из источников инокулята, таких как осадок сточных вод , осадок метантенков или морские/речные отложения. [18] [19] [20] В последующее десятилетие технические усовершенствования привели к увеличению скорости производства ацетата с нескольких до сотен г/м2 катода / день. [21] Клетки MES также продемонстрировали многообещающую технологию преобразования CO2 в биометан с производительностью до 200 л CH4 / м2 катода /день. [22] Кроме того , область применения MES была расширена для получения более ценных продуктов, включая этанол и капроат . [23]

Принципы

Микробный внеклеточный перенос электронов

Существуют различные механизмы, с помощью которых бактерии могут связывать электроны с электродом. Они включают «прямой» процесс, когда окислительно-восстановительные компоненты, расположенные на поверхности клетки, которые могут быть мультигемовыми цитохромами или нановолокнами , контактируют непосредственно с твердыми поверхностями (рисунок 1A, C и D), [24] [25] [26] [27] и «косвенный» процесс, который опосредован растворимыми окислительно-восстановительными медиаторами, которые циклически перемещают электроны между клетками и электродами [28-30] [28] [29] [30] (рисунок 1B). Переносчиками электронов могут быть гуминовые вещества , которые не вырабатываются клетками, [31] или вторичные метаболиты, которые вырабатываются организмами, включая феназины [32, 33] [32] [33] и флавины [34, 35]. [34] [35] Кроме того, некоторые первичные метаболиты бактерий, такие как виды серы и H 2 , могут переносить электроны к внеклеточным акцепторам электронов . В дополнение к гемокофакторам в мультигемовых цитохромах , также было показано, что флавинмононуклеотид увеличивает скорость переноса электронов в некоторых внешних мембранных цитохромах в качестве окислительно-восстановительных кофакторов [27]. [36] Поскольку электроны переносятся изнутри наружу микробных клеток через клеточную мембрану во время EET, ионы с положительным зарядом должны одновременно двигаться в том же направлении, что и поток электронов, чтобы поддерживать нейтральность заряда (рисунок 1A). [37]

Биоэлектрохимические системы (принципы, компоненты, конфигурации)

Биоэлектрохимическая система (БЭС) — это устройство, используемое в МЭТ. Классическая БЭС, такая как МФЭ, обычно состоит из двух секций (рисунок 2): анодной и катодной секций, разделенных селективно проницаемой протон /катионообменной мембраной или солевым мостиком . В МФЭ анодная секция содержит микробы, которые работают как биокатализаторы в анаэробных условиях в анолите , тогда как катодная секция содержит акцептор электронов (например, кислород). Электроны, образующиеся при окислении органических соединений, переносятся на анод. Электроны, производимые микробами, переносятся на анод напрямую [38] через « нанопровода » [39] или белки внешней мембраны , или косвенно с использованием агентов переноса электронов. Эти электроны достигают катода через внешнюю цепь, и для каждого проведенного электрона протоны реагируют на катоде для завершения реакции и поддержания электрического тока [40] . Существует множество типов реакторов BES, но в целом все они имеют одинаковые принципы работы. Были созданы различные конструкции и конфигурации для оптимизации сборки трех основных элементов (анода, катода и сепаратора) в функционирующей системе. [41] Производительность BES значительно меняется в зависимости от их конструкции. Таблица 1. показывает сводку основных компонентов BES и связанных с ними материалов для их конструкции.

Таблица 1. Основные компоненты МФЦ

Приложения

Рекуперация и генерация энергии

Очистка сточных вод с помощью МФЦ

Хорошо известно, что перекачка, аэрация и обработка твердых частиц являются основными энергоемкими процессами в очистке сточных вод. Только аэрация может составлять 50% эксплуатационных расходов на типичной очистной станции сточных вод. Устранение этих расходов может сэкономить большое количество энергии. MFC в очистке сточных вод, помимо выработки электроэнергии, также помогают экономить энергию, связанную с этими упомянутыми процессами, что добавляет большое преимущество. Процесс MFC является анаэробным процессом, и производство шлама для анаэробного процесса составляет примерно 1/5 от того, что для аэробного процесса. Таким образом, использование MFC может сократить производство твердых частиц на очистных сооружениях сточных вод, в конечном итоге значительно сократив эксплуатационные расходы на обработку твердых частиц. Более того, эта технология продемонстрировала почти экспоненциальный рост производства электроэнергии с начала этого века. Эта эволюция отражает растущее понимание инженерами того, что эта технология готова появиться в качестве практического применения, и связанные с ней технологии очень скоро окажутся в центре внимания.

Очистка сточных вод с помощью технологий MFC является многообещающей и в то же время уникальной методологией, поскольку процесс очистки сточных вод может стать подходом к производству энергии в форме электричества, а не расхода энергии. MFC использовались для определения лактата в воде Кимом и его коллегами [42] , а позже было показано, что производство электроэнергии в MFC может поддерживаться крахмалом с использованием промышленных сточных вод. Большое разнообразие субстратов использовалось в MFC для производства электроэнергии, варьирующихся от чистых соединений до сложных смесей органических веществ, присутствующих в сточных водах. Применение MFC для биологической очистки сточных вод также зафиксировало эффективное преобразование органических веществ в сточных водах в электричество с примерно 40-90% снижением ХПК и БПК. [43] Очевидно, что энергии, которая может быть извлечена из сточных вод, недостаточно для питания города, но ее может быть достаточно для работы очистных сооружений. С постоянным прогрессом, накопление этой энергии может привести к энергетической устойчивости инфраструктуры сточных вод.

Бентосный MFC

Бентические МТЭ вырабатывают электроэнергию посредством микробного окисления органических субстратов в бескислородных морских отложениях в сочетании с восстановлением кислорода в вышележащей толще воды. Электроны генерируются в результате метаболизма естественно встречающихся микроорганизмов в различных отложениях. Таким образом, бентические МТЭ не требуют добавления каких-либо экзогенных микроорганизмов или электронных челноков. [44] [45] Метеорологические буи получали всю свою электроэнергию от бентических МТЭ, что позволяло им работать непрерывно и независимо от необходимости замены батарей. Бентические МТЭ могут работать в течение нескольких лет без снижения выходной мощности. Исследователи подсчитали, что бентические МТЭ могут обеспечивать электроэнергией неограниченно долго на тех же уровнях мощности и по той же стоимости, что и глубоководная электростанция, а легкая закрытая свинцово-кислотная батарея могла бы обеспечивать ее в течение одного года.

Восстановление питательных веществ

Азот и фосфор считаются основными загрязнителями в сточных водах, удаление и восстановление которых необходимы для устойчивых систем очистки. Азот обычно удаляется с помощью процессов биологической нитрификации и денитрификации , что требует очень больших затрат энергии и средств на очистку сточных вод. BES имеет хороший потенциал для восстановления аммонийного азота с хорошей прибылью из потоков отходов, богатых азотом, таких как моча, свиной щелок, жидкость из варочного котла и фильтрат свалок и т. д. [46] Фосфор из сточных вод обычно извлекается в виде гранул полифосфата , Fe-P или струвита бактериями. Cusick et al. добились производства струвита в BES, используя однокамерный MEC, где до 40% растворимого фосфата извлекалось путем осаждения струвита со скоростью 0,3–0,9 г/м 2 /ч. [47] Другое восстановление фосфора в BES включало обмен гидроксид- ионов, образующихся в результате катодной реакции, с фосфат-ионами из сточных вод, что привело к удалению 52,4 ± 9,8% фосфата. [48]

Микробная электрохимическая очистка

BES известны как окислительными, так и восстановительными процессами для очистки подземных загрязнителей. По сравнению с обычной биологической обработкой или химическими процессами, BES используют один или несколько электродов, которые не являются закрытыми реакторами для очистки загрязняющих веществ. Твердые электроды в этой системе работают как неисчерпаемые акцепторы/доноры электронов для стимулирования микробной трансформации загрязняющих веществ в нетоксичные или менее токсичные формы. Например, можно производить усиление биодеградации токсинов с сопутствующим биоэлектричеством. [49] Сложные нефтяные органические вещества, такие как комплексы BTEX ( бензол , толуол , ксилолы и этилбензолы и т. д.), могут быть биоремедиированы с использованием систем BES. Моррис и др. сообщили, что деградация дизельного топлива (C8–C25) была улучшена на 164% путем введения электродов без подвода энергии. [50] Также были представлены исследования биодизеля , фенола , общих нефтяных углеводородов , полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), 1,2-дихлорэтана , пиридина и т. д., подтверждающие, что BES может использоваться в качестве практической технологии для разложения нефтяных углеводородов с одновременной генерацией тока. [51] [52] Сообщалось, что хлорированные растворители, такие как трихлорэтилен и тетрахлорэтилен , известные своей высокой токсичностью или канцерогенной природой, разлагаются при использовании отрицательно поляризованного твердотельного электрода, который отдает электроны с электронными челноками и без них. [53] Удаление нитрата , распространенного загрязнителя грунтовых вод, также было продемонстрировано либо отдельно {Cecconet, 2018 #9}, либо в сочетании с другими сопутствующими загрязнителями, такими как арсенит . [54] По сравнению с традиционной денитрификацией, которая включает гетеротрофные денитрифицирующие бактерии, денитрификация с помощью BES включает автотрофные денитрифицирующие бактерии , которые обладают способностью поглощать электроны с электродов. Следовательно, биокатоды в BES были разработаны для денитрификации, которая приводит к эффективному снижению нитрата/нитрита при низких затратах энергии как в грунтовых водах, так и в сточных водах. [55] [56] В других исследованиях снижение перхлората , [57] Cr(VI), [58] Cu(II) и радиоактивного урана [59]также были достигнуты в BES с катодом в качестве донора электронов. Главным преимуществом, связанным с использованием твердого электрода в качестве донора электронов вместо растворимого донора электронов, является снижение загрязняющего вещества (например, U(VI) до U(IV)), которое является стабильным осадком на электроде. С использованием BES были исследованы не только грунтовые воды, но и биоремедиация почвы . Например, была продемонстрирована успешная очистка почвы от гербицидов и антибиотиков (Ref). [60] [61]

Микробное электрохимическое производство химикатов

MES, тип BES, может использовать электричество для синтеза топлива и ценных химикатов, используя микробов в качестве катодных катализаторов, что также приводит к очистке потоков отходов (рис. 3). [62] Двойные преимущества, связанные с этой системой, - это связывание углерода и производство химикатов с добавленной стоимостью. [63] С помощью MES был получен широкий спектр ценных соединений, таких как H2 , ацетат, CH4 , этанол, бутанол , H2O2 и т. д. [64] [65] [66] [ 67] Спектр продуктов в MES в значительной степени определяется материалами биокатодов (на основе углерода или металла), задействованными микроорганизмами, восстановительными потенциалами и активностью окислительно-восстановительных медиаторов, а также условиями эксплуатации, включая pH, температуру и давление. [68] [69] Потенциалы между -0,6 и -1,0 В против SHE обычно применяются к MES, инокулированным смешанными культурами, чтобы обеспечить выработку водорода на катоде, который затем поглощается ацетогенными и метаногенными микроорганизмами для восстановления CO2 . [ 70] Восстановление CO2 при менее отрицательных потенциалах, даже выше теоретического потенциала -0,4 В против SHE, было продемонстрировано для определенных микроорганизмов, таких как Sporomusa , хотя до сих пор ведутся споры о том, следует ли приписывать это прямому поглощению электронов с катода или благоприятной термодинамике на поверхности электрода. [71] Большинство исследований MES проводились при температуре окружающей среды (около 20 °C) или мезофильной среде (около 35 °C), но было продемонстрировано, что этот процесс осуществим в термофильных условиях (50-70 °C). [72] Нейтральный или слегка кислый pH (5,5-7,0) был показан оптимальным для преобразования CO 2 в уксусную кислоту, хотя для предотвращения начала метаногенеза требуется более низкий pH или использование ингибиторов, таких как бромэтансульфоновая кислота (BESA) . [73] Химические соединения, полученные из MES, могут быть использованы в качестве прекурсоров для производства последующих промышленных продуктов, таких как полимерные продукты, продукты, похожие на дизельное топливо или керосин , пластификаторы и в качестве смазочных агентов во многих отраслях промышленности. [74]

Рис. 3. Схемы МЭС, демонстрирующие очистку потоков отходов и образование высокоценных продуктов.

Многие органические соединения, такие как ацетат , бутират и лактат, в основном присутствуют в стоках очистных сооружений и ферментационных установок. Эти органические вещества являются ценными продуктами, но из-за их низкой концентрации извлечение не является экономически эффективным вариантом. Поэтому MES использовался для преобразования этих короткоцепочечных карбоновых кислот в длинноцепочечные кислоты и другие полезные продукты. [75] [76] Хотя более ценные соединения могут быть получены из сырья с низкой стоимостью ресурсов, необходимы исследования для сравнения того, является ли управление окислительно-восстановительным потенциалом и подача тока на катоды экономически целесообразным по сравнению с текущими технологиями. Тем не менее, дальнейшие усовершенствования этой технологической платформы могут помочь в преодолении многих фундаментальных проблем будущей биоэкономики .

Микробный электролиз для производства H2

При использовании для производства водорода MEC необходимо дополнить внешним источником питания, чтобы преодолеть энергетический барьер превращения всех органических материалов в углекислый газ и водородный газ. Стандартный MFC преобразуется в MEC, производящий водород, путем добавления > 0,14 В. [77] Пузырьки водорода образуются на катоде и собираются для использования в качестве источника топлива. [78] Хотя электричество используется вместо того, чтобы генерироваться, как в обычных MFC, этот метод производства водорода эффективен, поскольку более 90% протонов и электронов, генерируемых бактериями на аноде, превращаются в водородный газ. [79] Водород можно накапливать и хранить для последующего использования, чтобы преодолеть присущую MFC низкую мощность. [80]

Микробная электрохимическая переработка биогаза в CH4

Концепция микробного электрохимического восстановления включает в себя преобразование диоксида углерода, который является не богатым энергией компонентом биогаза, произведенного в анаэробном реакторе, в богатый энергией компонент метана. Это восстановление возможно посредством химической реакции между диоксидом углерода, протонами и электронами (из электричества) в MES. [81] Это также известно как технология Power-to-Gas , которая позволяет электрохимическим агрегатам действовать как поглотители углерода для промышленных отходов и, что более важно, промышленных выбросов CO2 . [82] Технология Power-to-Gas потенциально генерирует биогаз с сортом , аналогичным природному газу, без необходимости удаления CO2 с использованием дорогостоящих методов, таких как очистка амином или адсорбция при переменном давлении . [83]

Опреснение воды

Опреснение морской воды и солоноватой воды, используемой для питья, всегда представляло значительные проблемы из-за количества энергии, необходимого для удаления растворенных солей из воды. Используя адаптированный МФЭ, этот процесс мог бы протекать без внешнего подвода электроэнергии. При добавлении третьей камеры между двумя электродами стандартного МФЭ и заполнении ее морской водой, положительные и отрицательные электроды ячейки притягивают положительные и отрицательные ионы соли соответственно, и соль может быть отфильтрована из морской воды с помощью полупроницаемых мембран . [84] Эффективность удаления соли до 90% была зарегистрирована в лабораторных работах. [85]

Биосенсоры

MFC применяются в мониторинге и управлении биологическими очистными сооружениями из-за их корреляции кулоновского выхода MFC и концентрации органических веществ в сточных водах, которые служат показаниями для биосенсоров . [86] Системы на основе микроорганизма Shewanella показывают многообещающие результаты в качестве датчиков для количественной оценки биологической потребности в кислороде в сточных водах. [87] [88] Эту концепцию можно легко расширить для обнаружения других соединений, которые могут выступать в качестве доноров электронов для производства электроэнергии, таких как водород или ароматические загрязнители. [89] Кроме того, такие датчики могут быть чрезвычайно полезны в качестве индикаторов токсичных веществ в реках, на входе в очистные сооружения, для обнаружения загрязнения или незаконного сброса или для проведения исследований на загрязненных участках. [90] [91]

С развитием микроэлектроники и смежных дисциплин потребность в энергии для электронных устройств резко сократилась. MFC могут управлять маломощными датчиками, которые собирают данные из отдаленных районов. Анаэробные бактерии, которые естественным образом растут в осадке, производят небольшой ток, который может быть использован для зарядки конденсатора для хранения энергии для датчика. Одним из основных преимуществ использования MFC в дистанционном зондировании вместо традиционной батареи является то, что бактерии размножаются, обеспечивая MFC значительно более длительный срок службы, чем традиционные батареи. [92] Таким образом, датчик может оставаться в отдаленном районе в течение многих лет без обслуживания. Обширные исследования по разработке надежных MFC для этой цели в основном сосредоточены на выборе подходящих органических и неорганических веществ, которые могут использоваться в качестве источников энергии. [93] Микробное производство тока также применимо к биоэлектрохимическим датчикам для скрининга лекарств в биопленке [94] [95] или эпидемиологии на основе сточных вод. [96]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Логан, Б. Э. и др., Электроактивные микроорганизмы в биоэлектрохимических системах. Nature Reviews Microbiology, 2019. 17(5): стр. 307-319.
  2. ^ Невин, К. П. и др., Микробный электросинтез: питание микробов электричеством для преобразования углекислого газа и воды в многоуглеродные внеклеточные органические соединения. mBio, 2010. 1(2): стр. e00103-10.
  3. ^ Логан, Б. Э., Экзоэлектрогенные бактерии, которые питают микробные топливные элементы. Nature Reviews Microbiology, 2009. 7(5): стр. 375-381.
  4. ^ Розендаль, РА и др., Эффективное образование перекиси водорода из органического вещества в биоэлектрохимической системе. Electrochemistry Communications, 2009.11(9): стр. 1752-175
  5. ^ Харниш, Ф. и У. Шредер, От MFC к MXC: химические и биологические катоды и их потенциал для микробных биоэлектрохимических систем. Chem Soc Rev, 2010. 39(11): стр. 4433-48.
  6. ^ Кумар, П. и др., Электроферментация в помощь биоэнергетике и биополимерам. Energies, 2018. 11(2): стр. 343-343.
  7. ^ Баджрачарья, С. и др., Обзор новых биоэлектрохимических систем (БЭС): технологии для устойчивой электроэнергии, рекультивации отходов, восстановления ресурсов, химического производства и т. д. Возобновляемая энергия, 2016. 98: стр. 153-170.
  8. ^ Поттер, М. К. и А. Д. Уоллер, Электрические эффекты, сопровождающие разложение органических соединений. Труды Лондонского королевского общества. Серия B, содержащая документы биологического характера, 1911. 84(571): стр. 260-276.
  9. ^ Коэн, Б., Бактериальная культура как электрическая полуклетка. J. Bacteriol, 1931. 21(1): стр. 18-19.
  10. ^ Майерс, К. Р. и К. Х. Нильсон, Бактериальное восстановление марганца и рост с оксидом марганца в качестве единственного акцептора электронов. Science, 1988. 240(4857): стр. 1319-1321.
  11. ^ Ким, Х. Дж. и др., Микробный топливный элемент без посредника, использующий бактерию, восстанавливающую металл, Shewanella putrefaciens. Ферментативная и микробная технология, 2002. 30(2): стр. 145-152.
  12. ^ Лю, Х., Р. Рамнараянан и Б. Э. Логан, Производство электроэнергии во время очистки сточных вод с использованием однокамерного микробного топливного элемента. Environ Sci Technol, 2004. 38(7): стр. 2281-5.
  13. ^ Рабаи, К. и др., Микробный топливный элемент, способный преобразовывать глюкозу в электричество с высокой скоростью и эффективностью. Biotechnology Letters, 2003. 25(18): стр. 1531-1535.
  14. ^ Логан, Б. Э. и др., Микробные топливные элементы: методология и технология. Environmental Science & Technology, 2006. 40(17): стр. 5181-5192.
  15. ^ Грегори, КБ, Д. Р. Бонд и Д. Р. Ловли, Графитовые электроды как доноры электронов для анаэробного дыхания. Environ Microbiol, 2004. 6(6): стр. 596-604.
  16. ^ Невин, К. П. и др., Микробный электросинтез: питание микробов электричеством для преобразования углекислого газа и воды в многоуглеродные внеклеточные органические соединения. Mbio, 2010. 1(2).
  17. ^ Логан, Б. Э. и др., Электроактивные микроорганизмы в биоэлектрохимических системах. Nat Rev Microbiol, 2019. 17(5): стр. 307-319.
  18. ^ Изади, П. и др., Параметры, влияющие на развитие высокопроводящей и эффективной биопленки во время микробного электросинтеза: важность приложенного потенциала и источника неорганического углерода. npj Biofilms Microbiomes, 2020. 6(1): стр. 40.
  19. ^ Bian, B., et al., Оценка устойчивости микробного электросинтеза для биохимического производства к изменениям в методах доставки и скоростях потока CO2. Bioresour Technol, 2021. 319: стр. 124-177.
  20. ^ Alqahtani, MF, et al., Обогащение солеустойчивых сообществ, фиксирующих CO2, в системах микробного электросинтеза с использованием пористой керамической полой трубки, обернутой углеродной тканью, в качестве катода и для подачи CO2. Sci Total Environ, 2021. 766: стр. 142668.
  21. ^ Jourdin, L., et al., Приближение высокоскоростного микробного электросинтеза на основе CO2 к практической реализации за счет улучшения конструкции электрода и условий эксплуатации. Environ Sci Technol, 2016. 50(4): стр. 1982-9.
  22. ^ Чжоу, Х. и др., Оптимизация недавно разработанного электрометаногенеза для наивысшего показателя производства метана. J Hazard Mater, 2021. 407: стр. 124363.
  23. ^ Шрикант, С. и др., Электробиокаталитическое преобразование диоксида углерода в спирты с использованием газодиффузионного электрода. Bioresour Technol, 2018. 265: стр. 45-51.
  24. ^ Розенбаум, М. и др., Катоды как доноры электронов для микробного метаболизма: какие механизмы внеклеточного переноса электронов задействованы? Bioresour Technol, 2011. 102(1): стр. 324-33.
  25. ^ Майерс, К. Р. и Дж. М. Майерс, Локализация цитохромов на внешней мембране анаэробно выращенной Shewanella putrefaciens MR-1. J Bacteriol, 1992. 174(11): стр. 3429-38.
  26. ^ Тан, Х.И. и др., Коррозия железа посредством прямого переноса электронов металл-микроб. mBio, 2019. 10(3).
  27. ^ Окамото, А. и др., Модель связанного флавина предполагает схожие механизмы переноса электронов у Shewanella и Geobacter. ChemElectroChem, 2014. 1(11): стр. 1808-1812.
  28. ^ Ньюман, Д.К. и Р. Колтер, Роль выделяемых хинонов во внеклеточном переносе электронов. Nature, 2000. 405(6782): стр. 94-7.
  29. ^ Дерек Р. Ловли, JDC, Элизабет Л. Блант-Харрис, Элизабет Дж. П. Филлипс, Джоан К. Вудворд Гуминовые вещества как акцепторы электронов для микробного дыхания. Nature, 1996(382): стр. 445–448.
  30. ^ You, LX, et al., Флавины опосредуют внеклеточный перенос электронов в грамположительном штамме Bacillus megaterium LLD-1. Биоэлектрохимия, 2018. 119: стр. 196-202.
  31. ^ Холмс, Д. Э., Бонд Д. Р. и Лоули Д. Р. Перенос электронов с помощью Desulfobulbus propionicus на Fe(III) и графитовые электроды. Прикладная и экологическая микробиология, 2004. 70(2): стр. 1234-1237.
  32. ^ Рабаи, К. и др., Микробное производство феназина усиливает перенос электронов в биотопливных элементах. Environmental Science & Technology, 2005. 39(9): стр. 3401-3408.
  33. ^ Рабай, К. и др., Биотопливные клетки выбирают микробные консорциумы, которые самостоятельно осуществляют перенос электронов. Прикладная и экологическая микробиология, 2004. 70(9): стр. 5373.
  34. ^ Marsili, E., et al., Shewanella секретирует флавины, которые опосредуют внеклеточный перенос электронов. Труды Национальной академии наук, 2008. 105(10): стр. 3968.
  35. ^ фон Канштейн, Х. и др., Секреция флавинов видами Shewanella и их роль во внеклеточном переносе электронов. Прикладная и экологическая микробиология, 2008. 74(3): стр. 615.
  36. ^ Окамото, А. и др., Модель связанного флавина предполагает схожие механизмы переноса электронов у Shewanella и Geobacter. ChemElectroChem, 2014. 1(11): стр. 1808-1812
  37. ^ Окамото, А. и др., Транспорт протонов в комплексе флавоцитохрома внешней мембраны ограничивает скорость внеклеточного транспорта электронов. Angewandte Chemie International Edition, 2017. 56(31): стр. 9082-9086.
  38. ^ Бонд, Д. Р. и Д. Р. Ловли, Производство электроэнергии Geobacter sexualreducens, прикрепленным к электродам. Appl Environ Microbiol, 2003. 69(3): стр. 1548-55.
  39. ^ Регуэра, Г. и др., Внеклеточный перенос электронов через микробные нанопровода. Nature, 2005. 435(7045): стр. 1098-1101.
  40. ^ Логан, Б. Э. и Дж. М. Риган, Бактериальные сообщества, вырабатывающие электричество в микробных топливных элементах. Тенденции в микробиологии, 2006. 14(12): стр. 512-518.
  41. ^ Осман, МХ, АА Шах и Ф.К. Уолш, Недавний прогресс и продолжающиеся проблемы в области биотопливных элементов. Часть I: Ферментативные клетки. Биосенсоры и биоэлектроника, 2011. 26(7): стр. 3087-3102.
  42. ^ Хёнг-Джу, Ким, Х. Мун-Сик и Ч. Ин-Сеоп, Биосенсор лактата на основе микробных топливных элементов с использованием бактерии, восстанавливающей металл, Shewanella putrefaciens. Журнал микробиологии и биотехнологии, 1999. 9(3): стр. 365-367.
  43. ^ A. Oji, CCOaMKO, Основы и полевые применения микробных топливных элементов (МТЭ). Euro. J. Appl. Eng. Sci. Res, 2012. 1(4): стр. 185-189.
  44. ^ Бонд, Д. Р. и др., Микроорганизмы, восстанавливающие электроды и извлекающие энергию из морских осадков. Science, 2002. 295(5554): стр. 483-5.
  45. ^ Тендер, Л. М. и др., Использование энергии, вырабатываемой микробами, на морском дне. Nature Biotechnology, 2002. 20(8): стр. 821-825.
  46. ^ Нанчарайя, YV, С. Венката Мохан и PNL Lens, Последние достижения в удалении и восстановлении питательных веществ в биологических и биоэлектрохимических системах. Bioresour Technol, 2016. 215: стр. 173-185.
  47. ^ Cusick, RD и BE Logan, Восстановление фосфата в виде струвита в однокамерной ячейке микробного электролиза. Bioresource Technology, 2012. 107: стр. 110-115.
  48. ^ Чжан, Ф., Дж. Ли и З. Хе, Новый метод удаления и восстановления питательных веществ из сточных вод с использованием биоэлектрохимической системы. Технология биоресурсов, 2014. 166: стр. 630-634.
  49. ^ Мохан, С.В. и К. Чандрасекар, Самоиндуцированный биопотенциал и условия акцептирования электронов графитом усиливают деградацию нефтяного шлама в биоэлектрохимической системе с одновременной выработкой энергии. Технология биоресурсов, 2011. 102(20): стр. 9532-9541.
  50. ^ Моррис, Дж. М. и др., Микробный топливный элемент в улучшении анаэробной биодеградации дизельного топлива. Chemical Engineering Journal, 2009. 146(2): стр. 161-167.
  51. ^ Ловли, Д. Р. и К. П. Невин, Сдвиг в токе: новые приложения и концепции для обмена электронами между микробами и электродами. Curr Opin Biotechnol, 2011. 22(3): стр. 441-8.
  52. ^ Чандрасекар, К. и С. Венката Мохан, Биоэлектрохимическая очистка реальных нефтяных шламов в качестве донора электронов с одновременной выработкой электроэнергии облегчает биотрансформацию ПАУ: влияние концентрации субстрата. Технология биоресурсов, 2012. 110: стр. 517-525.
  53. ^ Аулента, Ф. и др., Дехлорирование трихлорэтилена и выделение H2 являются альтернативными биологическими путями использования электрического заряда дехлорирующей культурой в биоэлектрохимической системе. Environ Sci Technol, 2008. 42(16): стр. 6185-90.
  54. ^ Себальос-Эскалера, А. и др., Электробиоремедиация грунтовых вод, загрязненных нитратом и арсенитом. Water Res, 2021. 190: стр. 116748.
  55. ^ Чжао, Х. и др., Производительность денитрифицирующего микробного топливного элемента с биокатодом по нитриту. Frontiers in Microbiology, 2016. 7(344).
  56. ^ Virdis, B., et al., Электронные потоки в микробном топливном элементе, выполняющем удаление углерода и азота. Environ Sci Technol, 2009. 43(13): стр. 5144-9.
  57. ^ Батлер, К. С. и др., Биоэлектрохимическое восстановление перхлората в микробном топливном элементе. Environmental Science & Technology, 2010. 44(12): стр. 4685-4691.
  58. ^ Ван, Г., Л. П. Хуан и И. Ф. Чжан, Катодное восстановление шестивалентного хрома [Cr(VI)] в сочетании с выработкой электроэнергии в микробных топливных элементах. Biotechnology Letters, 2008. 30(11): стр. 1959-1966.
  59. ^ Грегори, КБ и Д.Р. Ловли, Рекультивация и извлечение урана из загрязненных подземных сред с помощью электродов. Environmental Science & Technology, 2005. 39(22): стр. 8943-8947.
  60. ^ Домингес-Гарай, А. и др., Биоэлектровентиляция: стратегия биоремедиации с использованием электрохимии для очистки почв, загрязненных атразином. Microb Biotechnol, 2018. 11(1): стр. 50-62.
  61. ^ Родриго Кехиго, Дж. и др., Стимулирование почвенных микроорганизмов для минерализации гербицида изопротурона с помощью микробных электроремедиационных клеток. Microb Biotechnol, 2016. 9(3): стр. 369-80.
  62. ^ Рабай, К. и РА Розендаль, Микробный электросинтез — пересмотр электрического пути микробного производства. Nature Reviews Microbiology, 2010. 8(10): стр. 706-716.
  63. ^ Ирфан, М. и др., Прямое микробное преобразование углекислого газа в химические вещества с добавленной стоимостью: комплексный анализ и возможности применения. Bioresource Technology, 2019. 288: стр. 121401.
  64. ^ Miran, W., et al., Обработка хлорированным фенолом и производство перекиси водорода in situ в биоэлектрохимической системе, обогащенной сульфатредуцирующими бактериями. Water Research, 2017. 117: стр. 198-206.
  65. ^ Маршалл, CW и др., Длительная эксплуатация систем микробного электросинтеза улучшает выработку ацетата автотрофными микробиомами. Environmental Science & Technology, 2013. 47(11): стр. 6023-6029.
  66. ^ ван Эртен-Янсен, MCAA и др., Анализ механизмов биоэлектрохимического производства метана смешанными культурами. Журнал химической технологии и биотехнологии, 2015. 90(5): стр. 963-970.
  67. ^ Баджрачарья, С. и др., Восстановление диоксида углерода смешанными и чистыми культурами в микробном электросинтезе с использованием сборки из графитового войлока и нержавеющей стали в качестве катода. Технология биоресурсов, 2015. 195: стр. 14-24.
  68. ^ Кумар, Г. и др., Обзор биоэлектрохимических систем (БЭС) для производства синтез-газа и биохимических продуктов с добавленной стоимостью. Chemosphere, 2017. 177: стр. 84-92.
  69. ^ Кумар, А. и др., Подробности реакций переноса электронов микроорганизм–электрод. Nature Reviews Chemistry, 2017. 1(3).
  70. ^ Philips, J., Внеклеточное поглощение электронов ацетогенными бактериями: способствует ли потребление H2 реакции выделения H2 на катоде или металлическом железе? Front Microbiol, 2019. 10: стр. 2997.
  71. ^ Philips, J., Внеклеточное поглощение электронов ацетогенными бактериями: способствует ли потребление H2 реакции выделения H2 на катоде или металлическом железе? Front Microbiol, 2019. 10: стр. 2997.
  72. ^ Десси, П. и др., Производство карбоновых кислот и эволюция электросинтетического микробного сообщества при различных режимах питания CO2. Биоэлектрохимия, 2021. 137: стр. 107686.
  73. ^ Десси, П. и др., Микробный электросинтез: на пути к устойчивым биоперерабатывающим заводам для производства экологически чистых химикатов из выбросов CO(2). Biotechnol Adv, 2021. 46: стр. 107675.
  74. ^ ван Эртен-Янсен, MCAA и др., Анализ механизмов биоэлектрохимического производства метана смешанными культурами. Журнал химической технологии и биотехнологии, 2015. 90(5): стр. 963-970.
  75. ^ Steinbusch, KJJ, et al., Биоэлектрохимическое производство этанола посредством опосредованного восстановления ацетата смешанными культурами. Environmental Science & Technology, 2010. 44(1): стр. 513-517.
  76. ^ Raes, SMT и др., Непрерывное долгосрочное биоэлектрохимическое удлинение цепи до бутирата. ChemElectroChem, 2017. 4(2): стр. 386-395.
  77. ^ Ким, И.С. и др., Микробные топливные элементы: последние достижения, бактериальные сообщества и применение за пределами производства электроэнергии. Исследования в области инженерной экологии, 2008. 13(2): стр. 51-65.
  78. ^ Логан, Б. Э., МЭК для производства водорода , в микробных топливных элементах . 2007, Wiley, 2008. стр. 125-145.
  79. ^ Рабай, К. и В. Верстрате, Микробные топливные элементы: новая биотехнология для производства энергии. Тенденции в биотехнологии, 2005. 23(6): стр. 291-298.
  80. ^ Ду, З., Х. Ли и Т. Гу, Современный обзор микробных топливных элементов: перспективная технология для очистки сточных вод и биоэнергетики. Biotechnology Advances, 2007. 25(5): стр. 464-482.
  81. ^ Nelabhotla, ABT и C. Dinamarca, Электрохимически опосредованное снижение выбросов CO2 для производства биометана: обзор. Обзоры по науке об окружающей среде и биотехнологии, 2018. 17(3): стр. 531-551.
  82. ^ Санчес, О.Г. и др., Последние достижения в области промышленного электровосстановления CO2. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, 2019. 16: стр. 47-56.
  83. ^ Angenent, LT, et al., Интеграция электрохимических, биологических, физических и термохимических технологических установок для расширения применимости анаэробного сбраживания. Bioresource Technology, 2018. 247: стр. 1085-1094.
  84. ^ Ким, Ю. и Б. Э. Логан, Микробные опреснительные ячейки для производства энергии и опреснения. Опреснение, 2013. 308: стр. 122-130.
  85. ^ Cao, X., et al., Новый метод опреснения воды с использованием микробных опреснительных ячеек. Environmental Science & Technology, 2009. 43(18): стр. 7148-7152.
  86. ^ Ди Лоренцо, М. и др., Однокамерный микробный топливный элемент как биосенсор для сточных вод. Water Research, 2009. 43(13): стр. 3145-3154.
  87. ^ Ким, Б. Х. и др., Новый датчик БПК (биологической потребности в кислороде) с использованием микробного топливного элемента без посредника. Biotechnology Letters, 2003. 25(7): стр. 541-545.
  88. ^ Чанг, И.С. и др., Улучшение характеристик микробного топливного элемента как датчика БПК с использованием респираторных ингибиторов. Биосенсоры и биоэлектроника, 2005. 20(9): стр. 1856-1859.
  89. ^ Ловли, DR, Микробные топливные элементы: новые микробные физиологии и инженерные подходы. Current Opinion in Biotechnology, 2006. 17(3): стр. 327-332.
  90. ^ Чанг, И.С. и др., Непрерывное определение биохимической потребности в кислороде с использованием биосенсора на основе микробных топливных элементов. Биосенсоры и биоэлектроника, 2004. 19(6): стр. 607-613.
  91. ^ Мейер, Р. Л., Л. Х. Ларсен и Н. П. Ревзбек, Микромасштабный биосенсор для измерения летучих жирных кислот в бескислородных средах. Прикладная и экологическая микробиология, 2002. 68(3): стр. 1204.
  92. ^ Райтон, К. и Дж. Коутс, Микробные топливные элементы: подключаемая и подключаемая микробиология. Журнал Microbe, 2009. 4: стр. 281-287.
  93. ^ Шантарам, А. и др., Беспроводные датчики, работающие на микробных топливных элементах. Environmental Science & Technology, 2005. 39(13): стр. 5037-5042.
  94. ^ Миран, В., Д. Нарадасу и А. Окамото, Электрогенность патогенов как инструмент для мониторинга метаболической активности in situ и оценки лекарственных средств в биопленках. iScience, 2021. 24(2): стр. 102068.
  95. ^ Нарадасу, Д. и др., Микробная продукция тока от Streptococcus mutans коррелирует с метаболической активностью биопленки. Biosens Bioelectron, 2020. 162: стр. 112236.
  96. ^ 94.Miran, W., et al., Текущая производственная способность лекарственно-устойчивого патогена обеспечивает его быстрое обнаружение без маркировки, применимое к эпидемиологии на основе сточных вод. Микроорганизмы, 2022. 10(2).
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Микробные_электрохимические_технологии&oldid=1122137332"