Bioelektrody na bazie przyjaznych środowisku bakterii kwasu mlekowego - fizykochemiczna, biochemiczna i elektrochemiczna charakterystyka w kontekście ich wykorzystania w układach bioelektrochemicznych

 

Kierownik projektu: Magdalena Jarosz

Czas realizacji: 2018–2021

 

Do najpoważniejszych problemów dzisiejszego świata należą stopniowe wyczerpywanie się konwencjonalnych źródeł energii, globalne ocieplenie, a także zanieczyszczenie powietrza. Dlatego też nieustająco poszukuje się nowych, odnawialnych źródeł energii oraz odpowiednio wydajnych technologii oczyszczania środowiska. Jednym z proponowanych rozwiązań są układy bioelektrochemiczne (z ang. BESs) – grupa technologii, która wykorzystuje mikroorganizmy do katalizowania reakcji redoks zachodzących w tych układach. Można tu wyróżnić przede wszystkim mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (z ang. microbial fuel cells, MFC) oraz mikrobiologiczne ogniwa elektrolityczne (z ang. microbial electrolysis cells, MEC).

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe wykorzystywane są w produkcji energii, z kolei mikrobiologiczne ogniwa elektrochemiczne stosowane są do produkcji gazowego wodoru, a także innych, wartościowych związków chemicznych. Pomimo coraz większej ilości proponowanych w literaturze układów bioelektrochemicznych i nowych rozwiązań, naukowcy w dalszym ciągu borykają się z wieloma problemami dotyczącymi wydajności procesów zachodzących w ogniwach. Aby zapewnić jak najwyższą wydajność generowanego prądu lub powstałych produktów ważny jest odpowiedni dobór materiału, z którego stworzona jest elektroda, zastosowanego mikroorganizmu, a także odpowiedniego układu pomiarowego. Co więcej, niewątpliwą zaletą byłoby stworzenie systemu przyjaznego człowiekowi i środowisku. Ponadto, niezwykle ważne jest też zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za transport elektronów pomiędzy mikroorganizmem a powierzchnią elektrody.

W związku z powyższym, w niniejszym projekcie zaproponowane zostało użycie nowych i obiecujących bioanod na bazie elektrody typu metal/polikation pokrytej biofilmem przyjaznych człowiekowi i środowisku bakterii kwasu mlekowego. Głównym celem projektu jest natomiast optymalizacja metody syntezy takiej elektrodym jej kompleksowa charakterystyka oraz zbadanie mechanizmów zachodzących na granicy powierzchnia elektrody/biofilm bakteryjny. Co więcej, postuluje się, że dzięki połączeniu badań z zakresu biochemii i elektrochemii możliwe będzie określenie mechanizmu transferu elektronów i wpływu różnych zmiennych na wydajność proponowanych układów.

Rysunek 1. Schematyczne przedstawienie etapów syntezy nowych bioanod.

 

Wyniki uzyskane w toku trwania tego projektu pozwolą na dokładną charakterystykę nowych, przyjaznych środowisku bioanod, które mogą znaleźć zastosowanie w układach bioelektrochemicznych. Co więcej, próba poznania mechanizmów zachodzących w takich układach pozwoli na lepsze planowanie bardziej wydajnych układów opartych na mikroorganizmach, zarówno do produkcji energii, jak i różnego rodzaju związków chemicznych.

Wyniki naszych badań zostały opublikowane w poniższych artykułach:

 

 

M. Jarosz, J. Grudzień, K. Kamiński, K. Gawlak, K. Wolski, M. Nowakowska, G.D. Sulka, Novel bioelectrodes based on polysaccharide modified gold surfaces and electrochemically active Lactobacillus rhamnosus GG biofilms, Electrochimica Acta, 296 (2019) 999-1008.