Высокая антропогенная нагрузка в настоящее время вынуждает искать новые и эффективные способы очисти окружающей среды. Большое количество поллютантов постоянно поступает в окружающую среду из различных источников. Среди наиболее опасных загрязнителей можно выделить углеводороды нефти, радиоактивные элементы, тяжёлые металлы, СПАВы и т.д. Одним из перспективных направлений в ремедиации окружающей среды является применение биологических агентов (микроорганизмы, растения, грибы и некоторые животные). Биоремедиация – это процесс, при котором вредные загрязнители превращаются живыми организмами в нетоксичные соединения.

Микробные топливные элементы (МТЭ) являются прогрессивными биоинженерными системами, которые могут применяться, как альтернативный источник энергии, также для мониторинга и очистки окружающей среды, «интернет-вещей» и т.д. За счет происходящих в МТЭ биоэлектрохимических процессов они могут быть использованы в процессах биоремедиации. Для эффективного использования микробных топливных элементов в данных процессах окружающей среды необходимо выяснить: как те или иные поллютанты влияют на работоспособность МТЭ.

В данном исследовании конструировались микробные топливные элементы бентосного типа с электродами горизонтального и вертикального типов. В качестве основы для электродов использовалось углеводородное волокно «Карбопон» и графитовые стержни. Агентом биоремедиации выступала культура Shewanella oneidensis MR-1, полученная из ВКПРМ № B-9861 и аборигенная микробиота грунта, который использовался в качестве твердой фазы МТЭ. Штамм Shewanella oneidensis MR-1 был выбран для исследования, так как обладает электрогенной активностью и способен в анаэробных условиях восстанавливать катионы тяжёлых металлов до менее токсичного состояния, используя их в качестве акцепторов электронов. Электрогенный потенциал МТЭ под нагрузкой в 1 кОм фиксировался автоматическим вольтметром авторской конструкции Лазукина А.А. В качестве поллютантов использовались растворимые соли никеля, меди и свинца в концентрации 7 ПДК по каждому катиону. Длительность эксперимента составила 3 месяца.

В первые 10 суток эксперимента среднее значение электрогенного потенциала в МТЭ только с аборигенной микробиотой и с горизонтальными электродами составило: в присутствии солей Pb2+ – 325,4 мВ, Ni2+ – 368,1 мВ, Cu2+ – 135,1 мВ. В присутствии же S. oneidensis MR-1 среднее значение электрогенеза составило: Pb2+ – 250,1 мВ, Ni2+ – 380,8 мВ, Cu2+ – 413,2 мВ. Таким образом, в МТЭ с солями никеля, меди и шеванеллы значение электрического потенциала выше, по сравнению с МТЭ, в которых присутствует только аборигенная микрофлора. В МТЭ с вертикальными электродами в присутствии S. oneidensis MR-1 за первые 10 суток среднее значение биоэлектрогенеза составило: Pb2+ – 124,7 мВ, Ni2+ – 65,1 мВ, Cu2+ – 43,7 мВ. В итоге, электроды вертикальной конструкции показывают гораздо меньшее значение потенциала по сравнению с электродами горизонтального типа.

По прошествии трех месяцев эксперимента вновь производился анализ среднего значения биоэлектрогенеза микробных топливных элементов. В результате было получено, что в МТЭ с горизонтальными электродами и аборигенной микрофлоры среднее значение электрического потенциала в течении 10 суток составило: Pb2+ – 28,8 мВ, Ni2+ – 37,7 мВ, Cu2+ – 35,7 мВ. В МТЭ с горизонтальными электродами и в присутствии шеванеллы средние показатели напряжения за 10 суток составили: Pb2+ – 27,1 мВ, Ni2+ – 31,1 мВ, Cu2+ – 49,7 мВ. В микробных топливных элементах с вертикальными электродами и S. oneidensis MR-1 среднее значение биоэлектрогенеза за 10 суток составило: Pb2+ – 5,1 мВ, Ni2+ – 0,3 мВ, Cu2+ – 0,1 мВ.

Таким образом, по прошествии трёх месяцев наблюдается значительное снижение биоэлектрогенеза, что связано с токсичным действием тяжёлых металлов на микробиоту МТЭ. Так, в микробных топливных элементах с горизонтальными электродами и аборигенной микробиотой значение напряжения за три месяца снизилось: в присутствии Pb2+ – в 11,3 раз, Ni2+ – в 9,8 раз, Cu2+ – в 3,8 раз. В данной системе катионы меди оказали наименее губительный эффект на работу МТЭ. В МТЭ с горизонтальными электродами в присутствии S. oneidensis MR-1 значение биоэлектрогенез по истечению трех месяцев было снижено: Pb2+ – в 9,2 раз, Ni2+ – 12,3 раз, Cu2+ – 8,3 раз. Здесь менее токсичный эффект на биоэлектрогенез был произведен аналогично солями меди. В МТЭ с вертикальными электродами и в присутствии микроорганизма S. oneidensis MR-1величина электрогенеза за три месяца снизилась: Pb2+ – 24,5 раз, Ni2+ – 217 раз, Cu2+ – 437 раз. В результате, наименее негативный эффект на биоэлектрогенез МТЭ оказывают катионы свинца.

Таким образом, применении микробных топливных элементов в процессах биоремедиации и мониторинга окружающей среды возможно, но данные устройства являются не очень стабильными и показывают различные значения электрогенного потенциала в зависимости от вида поллютанта, его концентрации, типа электрода, состава микробиоты и т.д.

The high anthropogenic load is currently forcing us to look for new and effective ways to clean up the environment. A large number of pollutants constantly enter the environment from various sources. Among the most dangerous pollutants are oil hydrocarbons, radioactive elements, heavy metals, surfactants, etc. One of the promising directions in environmental remediation is the use of biological agents (microorganisms, plants, fungi, and some animals). Bioremediation is the process by which harmful pollutants are converted by living organisms into non-toxic compounds.

Microbial fuel cells (MFC) are advanced bioengineering systems that can be used as an alternative energy source, also for monitoring and cleaning the environment, "Internet of things", etc. Due to the bioelectrochemical processes occurring in MFCs, they can be used in bioremediation processes. For the efficient use of microbial fuel cells in these environmental processes, it is necessary to find out how certain pollutants affect the performance of MFCs.

In this study, benthic-type microbial fuel cells with horizontal and vertical electrodes were constructed. Carbon fiber "Carbopon" and graphite rods were used as the basis for the electrodes. The bioremediation agent was Shewanella oneidensis MR-1 culture obtained from VKPM No. B-9861 and native soil microbiota, which was used as the MFC solid phase. The Shewanella oneidensis MR-1 strain was chosen for the study because it has electrogenic activity and is capable of reducing heavy metal cations to a less toxic state under anaerobic conditions, using them as electron acceptors. The electrogenic potential of the MFC under a load of 1 kOhm was recorded by an automatic voltmeter of the author's design Lazukin A.A. Soluble salts of nickel, copper, and lead were used as pollutants at a concentration of 7 MPC for each cation. The duration of the experiment was 3 months.

In the first 10 days of the experiment, the average value of the electrogenic potential in the MFC only with native microbiota and with horizontal electrodes was: in the presence of Pb2+ salts - 325.4 mV, Ni2+ - 368.1 mV, Cu2+ - 135.1 mV. In the presence of S. oneidensis MR-1, the average value of electrogenesis was: Pb2+ - 250.1 mV, Ni2+ - 380.8 mV, Cu2+- 413.2 mV. Thus, in MFCs with nickel, copper, and chevanella salts, the value of the electric potential is higher than in MFCs, in which only aboriginal microflora is present. In the MFC with vertical electrodes in the presence of S. oneidensis MR-1 for the first 10 days, the average value of bioelectrogenesis was: Pb2+ - 124.7 mV, Ni2+ - 65.1 mV, Cu2+ - 43.7 mV. As a result, vertical electrodes show a much lower potential value compared to horizontal electrodes.

After three months of the experiment, the average value of the bioelectrogenesis of microbial fuel cells was analyzed again. As a result, it was found that in the MFC with horizontal electrodes and native microflora, the average value of the electric potential for 10 days was: Pb2+ - 28.8 mV, Ni2+- 37.7 mV, Cu2+ - 35.7 mV. In the MFC with horizontal electrodes and in the presence of Shevanella, the average voltage values for 10 days were: Pb2+ - 27.1 mV, Ni2+ - 31.1 mV, Cu2+ - 49.7 mV. In microbial fuel cells with vertical electrodes and S. oneidensis MR-1, the average value of bioelectrogenesis for 10 days was: Pb2+ - 5.1 mV, Ni2+ - 0.3 mV, Cu2+ - 0.1 mV.

Thus, after three months, there is a significant decrease in bioelectrogenesis, which is associated with the toxic effect of heavy metals on the MFC microbiota. Thus, in microbial fuel cells with horizontal electrodes and native microbiota, the voltage value decreased over three months: in the presence of Pb2+ - by 11.3 times, Ni2+ - by 9.8 times, Cu2+ - by 3.8 times. In this system, copper cations had the least detrimental effect on the operation of the MFC. In the MFC with horizontal electrodes in the presence of S. oneidensis MR-1, the value of bioelectrogenesis after three months was reduced: Pb2+ - 9.2 times, Ni2+ - 12.3 times, Cu2+ - 8.3 times. Here, a less toxic effect on bioelectrogenesis was produced similarly to copper salts. In MFCs with vertical electrodes and in the presence of the microorganism S. oneidensis MR-1, the magnitude of electrogenesis decreased over three months: Pb2+ - 24.5 times, Ni2+ - 217 times, Cu2+ - 437 times. As a result, lead cations have the least negative effect on MFC bioelectrogenesis.

Thus, the use of microbial fuel cells in the processes of bioremediation and environmental monitoring is possible, but these devices are not very stable and show different values of the electrogenic potential depending on the type of pollutant, its concentration, electrode type, microbiota composition, etc.