Обнаружено влияние полярности электрической стимуляции внешней цепи биоэлектрохимической системы, а также иммобилизации на аноде клеток Shewanella oneidensis MR-1, содержащих ген пероксидаз класса DyP, на скорость обесцвечивания красителей разных типов. Экспериментальная модель представляла собой микробный топливный элемент (МТЭ) мембранного двухкамерного воздушнокатодного типа, к электродам которого подключали внешний источник тока и напряжения, в различной полярности, либо резистор. В анодную камеру вносили в разных концентрациях красители, отслеживая динамику снижения поглощения, а также бактериальные клетки. Для красителя трифенилметанового кристаллического фиолетового максимальная скорость обесцвечивания суспендированными клетками S. oneidensis MR-1 составила 2,05±0,07 мкМ/ч и наблюдалась при подключении источника постоянного напряжения 1.2 В прямой полярности, то есть положительный полюс ионистора был подключен к катоду МТЭ, имеющему аналогичный знак заряда. Минимальные скорости наблюдались в случае обратной полярности подключения. При иммобилизации клеток S. oneidensis MR-1 на аноде удельная скорость обесцвечивания была выше, достигая 2,91±0,09 мкМ/ч и не снижалась при повышении концентрации субстрата. Наименьшие показатели также были отмечены для обратного подключения источника напряжения. При обесцвечивании азокрасителя конго красного, максимальные значения скорости отмечены для источника с прямым подключением ионистора и при разомкнутой цепи (0,26±0,01 и 0,29±0,02мкМ/ч соответственно), минимальное значение 0,11±0,02мкМ/ч наблюдали для обратного подключения. Для продуктов биоэлектрокаталитического обесцвечивания кристаллического фиолетового было обнаружено значительное снижение интенсивности главного пика поглощения, соответствующего полосе 590 нм, практически без гипсохромного сдвига. О качественных изменениях состава продуктов обесцвечивания говорит появление, для варианта с прямой полярностью подключения ионистора, нового максимума поглощения в районе 360 нм.

Таким образом, при обесцвечивании трифенилметанового красителя кристаллического фиолетового и азокрасителя конго красного культурой S. oneidensis MR-1в анаэробных условиях анодной камеры биоэлектрохимической системы было обнаружено влияние полярности подключения к электродам внешнего источника тока и напряжения. Увеличение удельной скорости реакции при ступенчатом повышении концентрации субстрата было отмечено для вариантов опыта, где происходила поляризация электродов, как естественная, до 0,59 В, за счёт электрогенеза S. oneidensis MR-1, так и более выраженная искусственная – в условиях положительной стимуляции источником постоянного тока и напряжения (ионистора) 1,2 В прямого подключения (отрицательный полюс к аноду, положительный – к воздушному катоду). При обратном подключении источника напряжения положительным полюсом к аноду во всех случаях наблюдалось снижение удельной скорости обесцвечивания, как для кристаллического фиолетового, так и для конго красного, что сопровождалось характерным повышенным расходом электрического заряда используемого в качестве источника тока и напряжения ионистора. Иммобилизация клеток на поверхности анода значительно усиливала скорость обесцвечивания кристаллического фиолетового, по сравнению с суспендированными клетками, при этом негативный эффект обратного подключения ионистора сохранялся. Таким образом, искусственная внешняя поляризация электродов биоэлектрохимической системы позволяла как положительно, так и отрицательно влиять на осуществляемые электрогенной культурой реакции, приводящие к обесцвечиванию красителей разных типов в анаэробной среде анодной камеры. Эффект стимулирования или ингибирования обесцвечивания проявлялся в условиях низкого окислительно-восстановительного потенциала анодной камеры биоэлектрохимической системы. За счёт естественной поляризации поверхности электродов (разомкнутая цепь и резистор 1 КОм) или, что более выражено, при положительной стимуляции ионистором прямого подключения, могло происходить ускорение процесса N-деметилирования, расщепления одного из ароматических колец и иных ключевых реакций обесцвечивания.

The effect of the polarity of electrical stimulation of the external circuit of the bioelectrochemical system, as well as immobilization on the anode of Shewanella oneidensis MR-1 cells containing the DyP peroxidase gene, on the rate of discoloration of different types of dyes was found. The experimental model was a microbial fuel cell (MFC) of a membrane two-chamber air cathode type, to the electrodes of which an external current and voltage source was connected, in different polarity, or a resistor. Dyes were introduced into the anode chamber in different concentrations, measuring the dynamics of the decrease in OD, and bacterial cells in a free and immobilized form. For the triphenylmethane crystal violet dye, the maximum discolorization rate by suspended S. oneidensis MR-1 cells was 2,05±0,07 µM/h and was observed when a 1,2 V direct polarity DC voltage source was connected ( the positive pole of the ionistor was connected to the MFС cathode, having a similar charge sign). The minimum speeds were observed in the case of reverse polarity of the connection. During the immobilization of S. oneidensis MR-1 cells at the anode, the specific discoloration rate was higher, reaching 2,91±0,09 µm/h and did not decrease with increasing substrate concentration. The lowest values were also noted for the reverse connection of the voltage source. When the congo red azo dye was discolorized, the maximum speed values were noted for a source with a direct ionistor connection and with an open circuit (0,26±0,01 and 0,29±0,02 µM/h, respectively), the minimum value of 0,11±0,02 µm/h was observed for reverse connection. For the products of bioelectrocatalytic discolorization of crystall violet, a significant decrease in the intensity of the main absorption peak corresponding to the 590 nm band was found, with no significant hypsochromic shift. The qualitative changes in the composition of the discoloration products are indicated by the appearance, for the option with a direct polarity of the ionistor connection, of a new absorption maximum in the region of 360 nm.

Thus, during the discolorization of crystal violet triphenylmethane dye and Congo red azo dye by S. oneidensis MR-1 culture under anaerobic conditions of the anode chamber of the bioelectrochemical system, the influence of the polarity of the connection to the electrodes of an external current and voltage source was detected. An increase in the specific reaction rate with a stepwise increase in the concentration of the substrate was noted for the experimental variants, where the polarization of the electrodes occurred, as natural, up to 0,59 V, due to the electrogenesis of S. oneidensis MR-1, and more pronounced artificial – under conditions of positive stimulation by a DC source and voltage (ionistor) of 1,2 V direct connection (negative pole to the anode, positive – to the air cathode). When the voltage source was connected back with the positive pole to the anode, a decrease in the specific discoloration rate was observed in all cases, both for crystal violet and congo red, which was accompanied by a characteristic increased consumption of the electric charge used as a current source and voltage of the ionistor. Immobilization of cells on the surface of the anode significantly increased the rate of discoloration of crystalline violet, compared with suspended cells, while the negative effect of the reverse connection of the ionistor was preserved. Thus, artificial external polarization of the electrodes of the bioelectrochemical system allowed both positive and negative effects on the reactions carried out by the electrogenic culture, leading to discoloration of dyes of various types in the anaerobic environment of the anode chamber. The effect of stimulating or inhibiting discoloration was manifested in conditions of low redox potential of the anode chamber of the bioelectrochemical system. Due to the natural polarization of the electrode surface (an open circuit and a 1 kOhm resistor) or, more pronounced, with positive stimulation by a direct connection of ionistor, the process of N-demethylation, splitting of one of the aromatic rings and other key discoloration reactions could accelerate.

It is assumed that the exoelectrogenic activity of S. oneidensis MR-1 cells capable of transferring charge externally, using cytochrome systems and special cellular structures, can provide coupling of the external electrical circuit of the bioelectrochemical system and energy-intensive biochemical processes occurring in the volume adjacent to the surface of the electrodes, including the restoration and breaking of the double bond between nitrogen atoms in the congo red molecule, N-demethylation and cleavage of the conjugated chromophore structure of crystalline violet.