Биоэлектрохимические системы с участием микроорганизмов являются объектом активного изучения последнее время. Принцип передачи электронов в анаэробных (или микроаэрофильных условиях) из электронтранспортных цепей бактерий на внешний акцептор – реализуется в микробных топливных элементах (МТЭ). Конечным акцептором отрицательных зарядов в них является биоанод. МТЭ – это биотехнологические устройства, в которых энергия химических связей преобразуется в электрический ток за счет биохимической активности бактериальных клеток. Напряжение, генерируемое подобным устройствами невелико и чаще всего не превышает 1 В, чего хватает для питания маломощных электронных устройств. Биотопливные элементы активно исследуются для применения в очистных системах, для биоремедиации in situ, качестве биосенсоров и т.д. Одним из пока мало исследованных направлений – является применения так называемых почвенных (грунтовых) элементов для усиления метаболизации органического вещества почвы. А также создания на этой основе биоэлектрохимических систем компостирования органических отходов, направленных в том числе на уменьшение углеродного следа.

По данным аналитических служб ООН в мире выбрасывается около трети продуктов питания, на пищевые отходы приходится 8% глобальных выбросов парниковых газов. Рассматриваются несколько способов сокращения подобных выбросов, например через использования пищевых остатков в качестве кормов для животных или вторсырья, часть отправляется на установки для получения биогаза и т.д.

Нами исследовалась возможность совмещения МТЭ и системы компостирования органических остатков, а также их влияния на электрогенез. Для этого использовался МТЭ почвенного типа. На дно вертикального пластикового сосуда помещался электрод из углеволокнистого войлока (анод). Средний слой был заполнен 1 литром почвы, смешанным в соотношении 10 к 1 с модельными пищевыми отходами, включающими хлебобулочные и овощные изделия. На поверхности в аэробных условиях находился катодный электрод. В качестве контроля использовался МТЭ идентичной конструкции, но без модельного загрязнителя.

Начальное напряжение в обеих ячейках было равно 0,3 мВ. В первый месяц эксперимента в МТЭ с органическими остатками напряжение составляло 20 мВ, что было на порядок ниже показателей в контрольном варианте. Вероятно, это связано с быстрым развитием в ячейке биомассы плесневых грибов, ассимилирующих углеводородный субстрат модельного пищевого загрязнителя. Они могли подавлять в том числе рост бактерий, участвующих в процессах анодофильного транспорта электронов.

Далее биоэлектрогенез опытного МТЭ начал возрастать и достиг 300 мВ, этот показатель с некоторыми колебаниями в целом сохранялся до конца эксперимента (90 суток). Иная картина наблюдалась в контрольной ячейке, где напряжение снизилось до 30 мВ, что, вероятно связано с истощением источников углерода. Измерения количества углекислого газа, выделяемого из почвы в период активизации электрогенеза в МТЭ, составило 1700 ppm, что в 1,5 раза выше, чем в контроле, что подтверждает вывод о более высокой активности микроорганизмов в МТЭ с органическим загрязнителем.

В целом данный эксперимент показывает возможность применения технологии микробных топливных элементов в почвенных биоэлектрохимических системах и возможность их использования для оценки биохимической активности почвы.

Bioelectrochemical systems involving microorganisms have been the object of active study in recent years. The principle of electron transfer under anaerobic (or microaerophilic conditions) from the electron transport chains of bacteria to an external acceptor is implemented in microbial fuel cells (MFCs). The final acceptor of negative charges in them is the bioanode. MFCs are biotechnological devices in which the energy of chemical bonds is converted into electric current due to the biochemical activity of bacterial cells. The voltage generated by such devices is small and most often does not exceed 1 V, which is enough to power low-power electronic devices. Biofuel cells are being actively studied for use in wastewater treatment systems, in situ bioremediation, as biosensors, etc. One of the still little studied areas is the use of the so-called soil (soil) elements to enhance the metabolism of soil organic matter. As well as the creation on this basis of bioelectrochemical systems for composting organic waste, aimed, among other things, at reducing the carbon footprint.

According to the UN analytical services, about a third of food is wasted in the world, food waste accounts for 8% of global greenhouse gas emissions. Several ways to reduce such emissions are being considered, for example, through the use of food residues as animal feed or recyclable materials, part is sent to biogas plants, etc.

We have studied the possibility of combining MFC and a system for composting organic residues, as well as their influence on electrogenesis. For this, a soil-type MFC was used. An electrode made of carbon fiber felt (anode) was placed at the bottom of a vertical plastic vessel. The middle layer was filled with 1 liter of soil mixed at a ratio of 10 to 1 with model food waste, including bakery and vegetable products. A cathode electrode was placed on the surface under aerobic conditions. As a control, an MFC of an identical design, but without a model pollutant, was used.

The initial voltage in both cells was 0.3 mV. In the first month of the experiment, the voltage in the MFC with organic residues was 20 mV, which was an order of magnitude lower than in the control variant. This is probably due to the rapid development of mold fungi in the biomass cell, assimilating the hydrocarbon substrate of the model food pollutant. They could also suppress the growth of bacteria involved in the processes of anodophilic electron transport.

Further, the bioelectrogenesis of the experimental MFC began to increase and reached 300 mV; this indicator, with some fluctuations, generally remained until the end of the experiment (90 days). A different picture was observed in the control cell, where the voltage dropped to 30 mV, which is probably due to the depletion of carbon sources. Measurements of the amount of carbon dioxide released from the soil during the period of activation of electrogenesis in the MFC was 1700 ppm, which is 1.5 times higher than in the control, which confirms the conclusion about the higher activity of microorganisms in the MFC with an organic pollutant.

In general, this experiment shows the possibility of using the technology of microbial fuel cells in soil bioelectrochemical systems and the possibility of using them to assess the biochemical activity of the soil.