WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Для определения эффективности работы метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина в биоэлектрохимической системе глюкоза - клетки Escherichia coli проведены амперометрические измерения процесса окисления глюкозы бактериальными клетками на вращающемся дисковом электроде при различных концентрациях субстрата и исследуемых медиаторов в рабочем электролите (рис. 4-6). Из рис. 4 видно, что при добавлении бактериальных клеток в рабочий электролит, содержащий в качестве медиатора метиленовый синий, начинается резкое возрастание плотности анодного тока, поскольку происходит увеличение концентрации восстановленной формы метиленового синего в объёме раствора, о чем свидетельствует постепенное обесцвечивание электролита. Кривые проходят через максимум, после чего наблюдается постепенное снижение плотности тока во времени с выходом на постоянное значение. Величина плотности тока максимума возрастает при увеличении скорости вращения дискового электрода. Общая скорость процесса зависит от объёмной концентрации медиатора и субстрата в растворе. Показано, что процесс окисления метиленового синего на биоаноде протекает в режиме смешанного диффузионно-кинетического контроля. Установлено, что порядок реакции по медиатору и глюкозе приблизительно равен единице, а среднее значение гетерогенной константы скорости процесса анодного окисления метиленового синего при его различной объемной концентрации составляет 1.74·10-3 см/с.

Рис. 4. Потенциостатические кривые анодного окисления метиленового синего на вращающемся дисковом электроде в рабочем электролите, содержащем 7.510-4 моль/л медиатора, 4.6·10-3 моль/л глюкозы и 2 мг вл.веса/мл клеток при различных скоростях вращения (рад/с): 1- 36.6; 2-54.5; 3- 80.6; 4- 104.6; 5- 151.8 при потенциале +0.250 В.

Из рис. 5 видно, что при добавлении бактериальных клеток в рабочий электролит, содержащий в качестве медиатора галлоцианин, наблюдается медленное возрастание плотности анодного тока, поскольку происходит увеличение концентрации восстановленной формы галлоцианина в объёме раствора, о чем свидетельствует постепенное обесцвечивание электролита. Плотность тока достигает предельного значения за время 2500-3000 с, что примерно в 10 раз продолжительнее, чем для метиленового синего. Установлено, что электрохимическая реакция окисления галлоцианина на биоаноде протекает в режиме диффузионной кинетики.

Рис. 5. Потенциостатические кривые анодного окисления галлоцианина на стеклографитовом вращающемся дисковом электроде в рабочем электролите, содержащем 1·10-3 моль/л глюкозы и 2 мг вл.веса/мл клеток при различных концентрациях галлоцианина (моль/л): 1-1.25·10-4; 2-2.5·10-4; 3-5·10-4; 4-7.5·10-4; 5-1·10-3. Скорость вращения 36.6 рад/с, при потенциале +0.250 В.

Из рис. 6 видно, что при введении бактериальных клеток в рабочий электролит, не происходит возрастания плотности анодного тока. Это связано, по всей видимости, с неудовлетворительной работой нейтрального красного как медиатора, осуществляющего перенос электронов от микроорганизма на электрод.

Таким образом, изучение поведения экзогенных медиаторов в биоэлектрохимической системе показало, что метиленовый синий и галлоцианин являются эффективными окислительно-восстановительными системами в условиях работы микробного медиаторного анода на основе бактериальных клеток Escherichia coli, а нейтральный красный не может быть использован в качестве медиатора, осуществляющего перенос электронов от микроорганизма на электрод.

В связи с этим в четвёртой главе проведено изучение каталитической активности микроорганизма Escherichia coli при окислении глюкозы в присутствии экзогенных медиаторов – метиленового синего и галлоцианина. При этом особую важность представляло построение кинетических моделей и описание механизмов протекания ферментативных реакций. Одним из фундаментальных представлений о механизме ферментативной реакции является представление о фермент-субстратном комплексе, образующемся при превращении субстрата в продукт под действием фермента.

Рис. 6. Потенциостатическая кривая анодного окисления нейтрального красного на стеклографитовом вращающемся дисковом электроде в рабочем электролите, содержащем 5·10-4 моль/л нейтрального красного, 1·10-3 моль/л глюкозы и 2 мг вл.веса/мл клеток. Скорость вращения дискового электрода 36.6 рад/с, потенциал +0.250 В.

Считается, что механизм ферментативной реакции заключается в следующем: субстрат образует комплекс с активным центром фермента, в комплексе происходят фермент-субстратные изменения, образуются продукты реакции, которые уходят из активного центра, освобождая его для взаимодействия с новой молекулой субстрата. Медиатор должен быть специфическим субстратом фермента и, кроме того, электрохимически активным на электроде. С учётом вышеизложенного, схема процесса переноса электронов в системе субстрат-микроорганизм-медиатор-электрод была представлена в виде:

(1),

(2),

МВМОк + ne- (3),

где Sклет и Pклет – субстрат и продукт внутри бактериальной клетки, соответственно;

Mок,клет и Mв,клет – окисленная и восстановленная формы медиатора внутри бактериальной клетки, соответственно;

Mок и Mв – окисленная и восстановленная формы медиатора вне бактериальной клетки, соответственно;

Eок,клет и Ев,клет - фермент, локализованный в цитоплазматической мембране бактериальной клетки, в окисленном и восстановленном состояниях, соответственно.

В работе проведён анализ процессов диффузии метиленового синего, галлоцианина и субстрата между клеткой (катализатором) и контактирующим с ней раствором, то есть в условиях, когда скорость реакции определяется внутридиффузионными эффектами, а именно, массопереносом внутри частицы катализатора (реакции (1) и (2)). Для этого были выполнены амперометрические измерения процесса окисления глюкозы бактериальными клетками Escherichia coli на стеклографитовом электроде при различных концентрациях субстрата и медиаторов. Показано, что с увеличением концентрации субстрата и медиаторов величина силы тока (скорость реакции) возрастает (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость величины тока максимума процесса анодного окисления метиленового синего от концентрации медиатора при избыточной концентрации субстрата, равной 1·10-3 моль/л. В рабочем электролите содержится 2 мг вл.веса/мл клеток.

Установлено, что в заданных экспериментальных условиях при концентрациях метиленового синего и субстрата, равных 2·10-3 моль/л и 1·10-3 моль/л, соответственно, наблюдается эффект насыщения, то есть скорость процесса перестает зависеть от концентрации. Для галлоцианина эффект насыщения наблюдается при концентрациях медиатора и субстрата, равных 1·10-3 моль/л. Для анализа экспериментальных данных была применена математическая модель, основанная на уравнении Михаэлиса-Ментен (уравнение 4) и учитывающая константы распределения субстрата и медиаторов между внутренней средой клетки и анализируемым раствором:

(4),

(5),

(6),

где KS,p и KM,p - константы распределения субстрата и медиатора между внутренней средой клетки и внешним раствором, соответственно;

КS,клет и КМ,клет – константы Михаэлиса для субстрата и окисленной формы электронных медиаторов, соответственно;

Sклет и S – субстрат внутри и вне бактериальной клетки, соответственно;

Mок, клет и Mок – окисленная форма медиатора внутри и вне бактериальной клетки, соответственно;

Imax – максимальная скорость реакции.

Учитывая, что измерения ведутся при избытке субстрата и медиаторов можно использовать следующие упрощенные уравнения:

(при << 1 – избыток субстрата) (7),

(при << 1 – избыток медиатора) (8).

Каталитическая активность клеток в присутствии метиленового синего и галлоцианина была охарактеризована тремя параметрами: максимальной скоростью реакции (Imax) и отношениями константы Михаэлиса к константе распределения для субстрата (KS,клет/KS,p) и для исследуемых медиаторов (KМ,клет/KМ,p), которые были определены из экспериментальных данных (рис. 8). Как правило, из данных по стационарной кинетике эти параметры определяют на основе линеаризации уравнения Михаэлиса:

(9),

(10).

Рис. 8. Зависимость величины обратного тока максимума процесса анодного окисления метиленового синего от обратной величины концентрации медиатора. В рабочем электролите содержится 2 мг вл.веса/мл клеток и 1·10-3 моль/л глюкозы.

Показано, что отношение Imax/(КM,клет/КМ,р), которое характеризует эффективность медиаторов, для метиленового синего составляет 4.4·10-2 с-1, а для галлоцианина 2.8·10-2 с-1 (таблица 1). Следовательно, скорость диффузии метиленового синего между клеткой и контактирующим с ней раствором больше, чем у галлоцианина. Таким образом, метиленовый синий является более эффективным медиатором по сравнению с галлоцианином в реакции окисления глюкозы с помощью микроорганизма Escherichia сoli.

В пятой главе проведена апробация работы микробного медиаторного анода в макете топливного элемента. Анодом служил пористый графитовый электрод, легированный металлической платиной, а катодом - диоксидносвинцовый электрод. В качестве медиатора для создания микробного медиаторного анода был использован метиленовый синий. Рабочее напряжение такого макета микробного топливного элемента составляло от 1.0 В до 1.4 В, что определялось степенью заряженности диоксидносвинцового электрода. Получены разрядные кривые исследуемого макета микробного топливного элемента при различных разрядных токах.

Таблица 1. Значения параметров процесса окисления глюкозы бактериальными клетками Escherichia coli в присутствии медиаторов – метиленового синего и галлоцианина.

Медиатор

Imax, мкА

КМ,клет/КМ,р

·104,

моль/л

Imax/(КM,клет/КМ,р)

·102, с-1

Метиленовый синий

13.7

3.1

4.4

Галлоцианин

12.0

4.3

2.8

В качестве примера на рис. 9 приведена разрядная кривая исследуемого макета микробного топливного элемента при токе разряда 10 мА.

Рис. 9. Разрядные кривые исследуемого макета микробного топливного элемента при токе разряда 10мА: 1 – напряжение макета микробного топливного элемента, 2 - потенциал диоксидносвинцового катода, 3 - потенциал микробного медиаторного анода.

Показано, что работа макета микробного топливного элемента ограничена диоксидносвинцовым электродом, а предложенный микробный медиаторный анод на основе глюкозы и микроорганизма Escherichia coli работает удовлетварительно и может быть в дальнейшем использован для практических целей при создании медиаторного микробного топливного элемента.

Для изучения кинетики процесса анодного окисления исследуемого микробного медиаторного электрода были сняты в прямом и в обратном направлениях поляризационные кривые пористого графитового электрода в условиях работы макета микробного топливного элемента. Анализ полученных кривых показал, что лимитирующей стадией в работе микробного медиаторного анода является процесс окисления медиатора – метиленового синего.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Изучено электрохимическое поведение некоторых окислительно-восстановительных систем: метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина на стеклографитовом электроде в фосфатном буферном растворе (pH 7.0). Показано, что метиленовый синий и галлоцианин являются обратимыми окислительно-восстановительными системами и могут быть использованы в качестве медиаторов при реализации микробного анода на основе клеток Escherichia coli. Установлено, что электрохимические реакции восстановления исследуемых медиаторов на рабочем электроде протекают в режиме диффузионной кинетики. Определены их коэффициенты диффузии, которые близки между собой и составляют (1.3±0.1)·10-6 см2/с, (1.1±0.2)·10-6 см2/с и (1.5±0.1)·10-6 см2/с для метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина, соответственно.

2. Изучено поведение исследуемых медиаторов в биоэлектрохимической системе глюкоза – медиатор – клетки Escherichia coli. Показано, что метиленовый синий и галлоцианин являются эффективными окислительно-восстановительными медиаторами при реализации условий работы микробного медиаторного анода, а нейтральный красный работает не эффективно.

3. Изучена кинетика процесса биоэлектрохимического окисления глюкозы бактериальными клетками Escherichia coli с использованием метиленового синего и галлоцианина в качестве медиаторов. Показано, что общая скорость электрохимической реакции зависит от концентрации медиаторов и субстрата в объеме раствора. Из зависимости общей скорости биоэлектрохимического процесса от скорости вращения дискового электрода установлено, что процесс окисления метиленового синего на биоаноде протекает в режиме смешанного диффузионно-кинетического контроля, а процесс окисления галлоцианина – в режиме диффузионной кинетики.

4. Определены кинетические характеристики реакции окисления метиленового синего на биоаноде – порядок реакции и гетерогенная константа скорости. Показано, что порядок реакции по медиатору и глюкозе приблизительно равен единице, а среднее значение гетерогенной константы скорости процесса анодного окисления метиленового синего при его различной объемной концентрации составляет 1.74·10-3 см/с.

5. Изучена каталитическая активность микроорганизма Escherichia coli в условиях работы микробного медиаторного анода. Показано, что с увеличением концентрации медиаторов и субстрата скорость процесса возрастает. В заданных экспериментальных условиях при концентрациях метиленового синего и субстрата, равных 2·10-3 моль/л и 1·10-3 моль/л, соответственно, наблюдается эффект насыщения, то есть скорость процесса перестает зависеть от концентрации. Для галлоцианина эффект насыщения наблюдается при его концентрации, равной 1·10-3 моль/л.

Pages:     | 1 || 3 |






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