WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

КУЗЬМИЧЕВА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНА

КИНЕТИКА ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ С ПОМОЩЬЮ МИКРООРГАНИЗМА ESCHERICHIA COLI В ПРИСУТСТВИИ ЭКЗОГЕННЫХ МЕДИАТОРОВ

Специальность 02.00.05 – электрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата химических наук

Саратов – 2009

Работа выполнена на кафедре физической химии

ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет

им. Н.Г. Чернышевского»

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Казаринов Иван Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук

Камнев Александр Анатольевич

доктор технических наук, профессор

Шпак Игорь Евгеньевич

Ведущая организация: Воронежский государственный

университет, г. Воронеж

Защита состоится 26 июня 2009 г. в 1400 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.243.07 по химическим наукам при ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83, I корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке им. В.А. Артисевич Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.

Автореферат разослан 25 мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор химических наук В.В. Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На протяжении XX века мировой расход энергии существенно возрос, что привело энергетику в неуравновешенное состояние. Интерес к разработке альтернативных источников энергии, в том числе и химических источников тока, не ослабевает в связи с грядущим глобальным истощением на Земле источников полезных ископаемых, используемых для нужд энергетики. В настоящее время новым витком в развитии электрохимической энергетики является создание биологических топливных элементов (БТЭ), представляющих собой устройства, которые используют биологические компоненты как катализаторы для генерации электричества.

В отличие от химических топливных элементов, биологические работают при более мягких условиях, а именно при комнатных температуре и давлении. Они также используют нейтральный электролит и недорогие катализаторы. В БТЭ в качестве катализаторов применяют либо целые микроорганизмы, либо ферментные препараты. В связи с этим БТЭ подразделяют на ферментные топливные элементы (ФТЭ) и микробные топливные элементы (МТЭ). Кроме того, в отличие от химических топливных элементов, использующих водород, этанол и метанол как топливо, БТЭ в качестве топлива могут использовать энергетически ёмкие, но электрохимически пассивные вещества (углеводы, органические кислоты и спирты), а также многие органические отходы. Это открывает возможность одновременного решения энергетической и экологической проблем.

Перспективным направлением является подход, основанный на использовании в качестве биокатализаторов целых микроорганизмов. По мощности и кулоновской эффективности МТЭ, использующие экзогенные редокс-медиаторы для переноса электронов от бактериальной клетки к электроду, пока уступают МТЭ с прямым переносом электронов. Эффективность их работы зависит от многих параметров. К ним в первую очередь следует отнести природу экзогенного медиатора и микроорганизма и их совместимость друг с другом. Каталитическая активность микроорганизмов в присутствии экзогенных редокс-медиаторов, а также кинетика процессов, протекающих на микробных медиаторных электродах, на сегодняшний день мало изучены. Существует только несколько попыток их исследования c применением современных методов экспериментальной электрохимии. Между тем, исследование кинетических закономерностей процессов, протекающих на биоанодах, представляется действительно актуальной задачей, поскольку они могут служить фундаментальной основой при создании МТЭ медиаторного типа.

Цель работы. Установление кинетических закономерностей процесса окисления глюкозы с помощью микроорганизма Escherichia coli в присутствии экзогенных медиаторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- изучить электрохимическое поведение экзогенных редокс-медиаторов, выбранных из различных классов веществ (тиазины, азины и оксазины), в рабочем электролите и оценить их коэффициенты диффузии;

- определить эффективность работы исследуемых медиаторов в биоэлектрохимической системе;

- изучить электрохимическими методами кинетику процесса биоэлектрокаталитического окисления глюкозы клетками Escherichia coli и определить кинетические параметры этого процесса;

- создать макет микробного топливного элемента и изучить кинетику процесса окисления глюкозы на микробном медиаторном аноде в условиях его работы.

Научная новизна. Впервые электрохимическими методами проведено изучение каталитической активности микроорганизма Escherichia сoli при окислении глюкозы в присутствии экзогенных медиаторов – метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина. Обосновано и доказано, что метиленовый синий и галлоцианин являются эффективными медиаторами при реализации микробного медиаторного анода на основе клеток Escherichia сoli. Установлено, что процесс окисления метиленового синего на биоаноде протекает в режиме смешанного диффузионно-кинетического контроля, а процесс окисления галлоцианина – в режиме диффузионной кинетики. Определены кинетические характеристики реакции окисления метиленового синего на биоаноде – порядок реакции и гетерогенная константа скорости.

На основе уравнения Михаэлиса-Ментен проведен кинетический анализ процессов диффузии метиленового синего и галлоцианина между клеткой (катализатором) и контактирующим с ней раствором. Показано, что метиленовый синий является более эффективным медиатором по сравнению с галлоцианином в реакции окисления глюкозы с помощью микроорганизма Escherichia coli.

Изучена кинетика процесса окисления глюкозы бактериальными клетками в условиях работы макета микробного топливного элемента. Показано, что лимитирующей стадией в работе микробного медиаторного анода является процесс окисления медиатора – метиленового синего.

Практическая значимость. Разработан микробный медиаторный анод на основе клеток Escherichia coli для процесса окисления глюкозы и оптимизированы условия его работы. Проведенные испытания на макете микробного топливного элемента показали, что предложенный микробный медиаторный анод на основе глюкозы и микроорганизма Escherichia coli работает удовлетворительно и может быть в дальнейшем использован для практических целей при создании медиаторного микробного топливного элемента. Данные по электрохимическим характеристикам микробного медиаторного анода могут быть использованы при создании микробных биосенсоров.

На защиту выносятся следующие положения:

- возможность использования метиленового синего и галлоцианина в качестве медиаторов, осуществляющих эффективный перенос электронов от микроорганизма Escherichia coli на электрод;

- результаты исследования кинетических закономерностей процесса окисления глюкозы с помощью бактериальных клеток Escherichia coli, протекающего в присутствии экзогенных редокс-медиаторов, во внешнедиффузионной и внутридиффузионной цепи;

- результаты испытания работы микробного медиаторного анода в макете микробного топливного элемента.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на III Всероссийском семинаре с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе» (Екатеринбург, 2006), на III Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» «ФАГРАН-2006» (Воронеж, 2006), на VI Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 2007), на XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007), на III Всероссийской конференции «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Энгельс, 2008), на VII Международной конференции «Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики» (Саратов, 2008), а также на IV Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» «ФАГРАН-2008» (Воронеж, 2008).

Личный вклад соискателя заключается в анализе литературных источников и написании литературного обзора, постановке и проведении эксперимента, обсуждении результатов исследования, подготовке статей, материалов конференций, рукописей диссертации и автореферата.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи, 2 из которых в журнале, входящем в перечень ведущих рецензируемых журналов, рекомендуемых ВАК, 6 статей в сборниках научных трудов, 3 тезисов докладов.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, включая литературный обзор, выводов и списка цитируемой литературы (121 наименование). Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, иллюстрирована 49 рисунками и содержит 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, сформулирована цель работы, отражены научная новизна и практическая значимость, перечислены положения, выносимые на защиту.

Первая глава является литературным обзором, посвященным проблематике биологических топливных элементов. Рассмотрены особенности работы БТЭ ферментного и микробного типов. Показано, что МТЭ (медиаторные и безмедиаторные) являются перспективными альтернативными источниками электрической энергии. Подробно описаны механизмы электронного переноса в МТЭ, а также представлены сведения о видах микроорганизмов и медиаторов, которые могут быть использованы при их создании. Указаны основные проблемы МТЭ и области их применения.

Вторая глава содержит подробное описание методики эксперимента. Для исследований была выбрана следующая модельная система: моногидрат глюкозы С6Н12О6·H2O (х.ч.) в качестве субстрата, клетки Escherichia coli штамма К-12 в качестве биологического катализатора и окислительно-восстановительные индикаторы - метиленовый синий (ч.д.а.) из класса тиазинов, нейтральный красный (ч.д.а.) из класса азинов и галлоцианин (ч.д.а.) из класса оксазинов в качестве медиаторов. Для проведения электрохимических измерений использовали стеклянную трёхэлектродную герметичную ячейку с разделенными анодным и катодным пространствами. Эксперименты проводили в термостатируемых условиях при температуре 37°С в атмосфере аргона. Вращающиеся дисковые электроды были выбраны в качестве рабочих электродов, которые представляли собой диски из стеклоуглерода и платины площадью 0.071 см2 и 0.39 cм2, соответственно. Вспомогательный электрод был выполнен из платиновой проволоки, скрученной в спираль. Потенциометрические измерения проводились относительно насыщенного хлоридносеребряного электрода сравнения, потенциал которого составлял +0.201 В относительно нормального водородного электрода. Рабочим электролитом служил фосфатный буферный раствор (pH 7.0) с добавкой хлорида натрия в качестве фонового электролита. Снятие поляризационных кривых проводилось с помощью потенциостата IPC-соmpact, соединенного с персональным компьютером. Амперометрические измерения были сделаны с помощью потенциостата П-5848. В этом случае электрический отклик рабочего электрода регистрировался самопишущим потенциометром КСП 4.

Третья глава посвящена установлению кинетических закономерностей процесса окисления глюкозы клетками Escherichia coli, протекающего в присутствии экзогенных редокс-медиаторов во внешнедиффузионной цепи.

Возможность использования метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина в качестве медиаторов, осуществляющих перенос электронов от микроорганизма на электрод, была изучена с помощью метода циклической вольтамперометрии. Циклические вольтамперные кривые были сняты при различных скоростях вращения на стеклографитовом дисковом электроде для различных концентраций исследуемых медиаторов (рис. 1-3).

Рис. 1. Циклические вольтамперные кривые стеклографитового вращающегося дискового электрода, снятые в рабочем электролите (pH 7.0), содержащем 1.25·10-3 моль/л метиленового синего и 2·10-3 моль/л глюкозы при различных скоростях вращения (рад/с): 1-178.0; 2-240.6; 3-293.1; 4-345.2; 5-397.6. Скорость развертки потенциала 10 мВ/с.

Рис. 2. Циклические вольтамперные кривые стеклографитового вращающегося дискового электрода, снятые в рабочем электролите (pH 7.0), содержащем 1.25·10-3 моль/л нейтрального красного и 2·10-3 моль/л глюкозы при различных скоростях вращения (рад/с): 1-178.0; 2-240.6; 3-293.1; 4-345.2; 5-397.6. Скорость развертки потенциала 10 мВ/с.

Рис. 3. Циклические вольтамперные кривые стеклографитового вращающегося дискового электрода, снятые в рабочем электролите (pH 7.0), содержащем 5·10-4 моль/л галлоцианина и 2·10-3 моль/л глюкозы при различных скоростях вращения (рад/с): 1-178.0; 2-240.6; 3-293.1; 4-345.2; 5-397.6. Скорость развертки потенциала 10 мВ/с.

Установлено, что электрохимические реакции восстановления метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина на электроде протекают в режиме диффузионной кинетики. По уравнению Левича определены коэффициенты диффузии исследуемых медиаторов, которые близки между собой и составляют (1.3±0.1)·10-6 см2/с, (1.1±0.2)·10-6см2/с и (1.5±0.1)·10-6 см2/с для метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина, соответственно. Из циклических вольтамперных кривых определены значения анодных и катодных электрохимических ёмкостей и установлено, что метиленовый синий и галлоцианин на стеклографитовом электроде работают обратимо, а нейтральный красный является необратимо работающим редокс-медиатором.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»