Способ получения электрической энергии с помощью микробного биотопливного элемента, имплантированного в организм живой травяной лягушки rana temporaria

Способ получения электрической энергии с помощью микробного биотопливного элемента, имплантированного в организм живой травяной лягушки rana temporaria

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к производству электрической энергии для питания встроенных электронных приборов малой мощности путем преобразования химической энергии в электрическую с помощью биотопливного элемента, в котором в качестве биокатализатора функционируют иммобилизованные микроорганизмы, а топливом служит глюкоза, получаемая из любого внешнего источника, в котором она находится в растворенном состоянии, например, в крови живого организма, в который производится имплантация микробного биотопливного элемента. Изобретение может быть использовано для электрического питания различных электронных приборов, обладающих малым энергопотреблением, в биотехнологии, медицине, энергетике, космической технике, робототехнике, в специальных технологиях, требующих постоянных токов малых мощностей.

Широко известны такие способы получения электрической энергии, как электрохимический, термоэлектрический, магнитоэлектрический, пьезоэлектрический, фотоэлектрический, с использованием ядерной энергии и другие. Общие проблемы для них связаны с повышением КПД преобразования исходной химической энергии в электрическую, а также экологическое загрязнение окружающей среды при утилизации используемых природных ресурсов. В качестве топлива чаще всего используют водород как энергоноситель с максимальной удельной энергией окисления. В качестве окислителя используют кислород.

Микробный топливный элемент (БТЭ) может быть использован для создания источников постоянного тока как "наружного" использования, так и "внутреннего" - т.е. для питания различных встроенных электронных приборов (стимуляторы и водители сердечного ритма, устройства для слуха и зрения, имплантируемые диагностические и другие системы). Микробный биотопливный элемент представляет собой реактор, в котором клетки микроорганизмов осуществляют превращение химической энергии органических или неорганических веществ (топлива) в электрическую. Встраивание БТЭ в живой организм может позволить получать электроэнергию за счет состава физиологических жидкостей, например, наличия глюкозы в крови живого организма. Количество окисляемой глюкозы незначительно, что не приводит к ее существенной потери как метаболита и не ограничивает за счет этого потребности живого организма. Такие живые реакторы не загрязняют окружающую среду и не требуют значительных ресурсов для утилизации.

За последние 5 лет в литературе были описаны биотопливные элементы, генерирующие постоянные токи малых мощностей, лежащие в диапазоне от 10^-9 до 10^-5 Вт, и имплантированные in vivo в различные виды беспозвоночных животных, например, членистоногих [1-4]. Эти беспозвоночные обладают незамкнутой системой циркуляции жидкости, играющей роль крови, что позволяет сравнительно просто имплантировать компоненты биотопливной ячейки в такой организм, не вызывая повреждений у животного. Описанные ранее аноды биотопливных элементов были основаны на использовании ферментов, в частности, PQQ-зависимой дегидрогеназы. В работах описаны биотопливные элементы, в которых электроды были изготовлены из мультистенных углеродных нанотрубок с иммобилизованными на них ферментами, лакказой и PQQ-зависимой дегидрогеназой, имплантированные в лобстера Homarus americanus [1], моллюска Mercenaria mercenaria [2] и улитку Neohelix albolabris [3]. В работе [4] описан биотопливный элемент, включающий в себя биферментный анод (БТЭ встраивали в таракана Blaberus discoidalis) с ферментами тригалазой и глюкозооксидазой и катод, содержащий фермент билирубин оксидазу. Особенностью исследования [4] было использование медиатора электронного транспорта, иммобилизованного на аноде и катоде, служащего для переноса электронов, и размещение катода вне тела животного для решения проблемы поступления кислорода к катоду.

Задача заявляемого изобретения состоит в получении электрической энергии с помощью имплантированного в живой организм микробного биотопливного элемента. Данная задача решается за счет того, что разработанный микробный биотопливный элемент имплантируется в организм живой травяной лягушки Rana temporaria и функционирует in vivo, окисляя глюкозу, вырабатываемую в организме этого представителя типа хордовых, класса земноводных.

Прототипом заявляемого способа получения электрической энергии является получение энергии от имплантированного в лобстера (морского рака) БТЭ, описанное в работе [1]. Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в травяную лягушку имплантируется биотопливный элемент, включающий электроды, приготовленные из наноматериала - терморасширеного графита (ТРГ), а анод содержит водонерастворимый медиатор диметилферроцен и иммобилизованные в геле хитозана клетки Gluconobacter oxydans sbsp. industrius ВКМ В-1280. Биотопливный элемент генерирует разность потенциалов ~50 мВ; стационарное значение разности потенциалов достигается за время порядка 600-800 с.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа, описанного в [1], тем, что

1. в качестве электродов БТЭ применяются электроды, изготовленные из наноматериала ТРГ, что снижает стоимость и упрощает конструкцию БТЭ по сравнению с использованным в [1] наноматериалом "углеродная бумага/мультистенные углеродные нанотрубки";

2. в качестве биокатализатора используются бактериальные клетки штамма Gluconobacter oxydans sbsp. industrius ВКМ В-1280, что снижает стоимость по сравнению с использованным в [1] ферментом PQQ-зависимой глюкозодегидрогеназы;

3. в качестве анодного медиатора применяется водонерастворимый медиатор диметилферроцен;

4. катод не содержит медиатора;

5. источником топлива (глюкозы) для работы БТЭ служит внутриполостная жидкость травяной лягушки Rana temporaria, в которую in vivo имплантирован микробный БТЭ.

Способ получения электрической энергии осуществляют следующим образом.

Культивирование бактерий

Культивирование бактерий проводят на питательной среде состава: 200 г/л D-сорбит (ООО Диаэм); 20 г/л дрожжевой экстракт (ООО Диаэм); дистиллированная вода - 100 мл, pH среды - 5,2-5,5, при температуре 28°C в течение 26 часов. Клетки собирают центрифугированием при 12000 об/мин в течение 10 мин и отмывают двукратно 25 мМ калий фосфатным буферным раствором (pH 6,5). Полученную биомассу замораживают при -10°C и хранят до использования.

Формирование рабочих электродов

Рабочие электроды из ТРГ формируют путем прессования порошка ТРГ под давлением 150 миллибар. Диаметр электрода составляет 10-12 мм, толщина - 0.2 мм. Затем электрод формируют, придавая ему нужный размер. Площадь анода и катода составляет 8×5 мм².

Формирование анода

В качестве водонерастворимого медиатора используют диметилферроцен. Его использование возможно путем введения в графитовый электрод из полярных растворителей. Для этого 2 мг ДМФ растворяют в 1 мл ацетона. 50 мкл раствора наносят на поверхность электрода и подсушивают на воздухе в течение 5-10 мин, затем 50 мкл наносят на другую сторону электрода и подсушивают дополнительно 5-10 мин.

На каждую сторону анода наносят по 20 мкл биомассы (1 мг сырого веса/мкл буферного раствора) и подсушивают при комнатной температуре 10-15 мин. После чего наносят на каждую сторону анода по 10 мкл 2%-ного раствора хитозана в 1%-ной уксусной кислоте и подсушивают при комнатной температуре 20-30 мин.

Проведение измерений

Готовые электроды (катод и анод) подключают к регистрирующему потенциостату (использовали VersaSTAT 4, Princeton Applied Research, USA), погружают в жидкость, содержащую глюкозу и являющуюся электролитом, и проводят хронопотенциометрические измерения генерируемого потенциала (зависимость разности потенциалов между анодом и катодом, ΔU=f(t), где ΔU разность потенциалов, t - время).

Пример осуществления заявленного способа при встраивании БТЭ в брюшную полость лягушки

Спинализированную лягушку фиксируют на пенопластовой пластинке (15×10 см²) вентральной (брюшной) стороной вверх. Электроды катод и анод с размещенным на нем медиатором и биокатализатором, содержащим иммобилизованные в хитозан клетки штамма Gluconobacter oxydans sbsp. industrius ВКМ В-1280, вводят через надрезы в брюшной части лимфатической пазухи животного (фиг. 1). После введения места надрезов в брюшной части изолируют, для чего используют предназначенный для склеивания увлажненных поверхностей клей БФ-6. Происходит генерация разности потенциалов между электродами (фиг. 2), которая отражает работу биокатализатора (микробные клетки) и использование глюкозы из организма лягушки в качестве окисляемого органического субстрата (топлива). Измерения проводят при температуре 20-22°C.

Технический результат, который получается при использовании заявляемого изобретения, заключается в том, что генерация электроэнергии происходит в микробном биотопливном элементе за счет окисления глюкозы, имеющейся в организме животного, в который имплантирован БТЭ, без внесения дополнительных видов источника энергии (топлива). Встроенный биотопливный элемент генерирует разность потенциалов ~50 мВ; стационарное значение разности потенциалов достигается за время порядка 600-800 с. При этом количество используемой для работы микробного БТЭ глюкозы мало и не сказывается на функционировании организма, в который он встроен. В дальнейшем, БТЭ, работающие на натуральных источниках (биологическом топливе), могут быть использованы для питания различных встроенных электронных приборов малой мощности, что расширит область их применения, а также позволит создавать автономные биоэлектронные устройства, функционирующие в имплантируемом режиме.

На фиг. 1 представлена схема установки для измерения потенциала, генерируемого м-БТЭ, имплантированного в травяную лягушку Rana temporaria.

На фиг. 2. представлена зависимость генерируемой разности потенциалов от времени при окислении собственной глюкозы организма травяной лягушки Rana temporaria встроенным биотопливным элементом.

Список цитируемых источников

1. Mac Vittie K., , , Southcott М., Jemison W.D., Lobel R., Katz E., From "cyborg" lobsters to a pacemaker powered by implantable biofuel cells // Energy Environ. Sci. - 2013. - Vol. 6. - 81-86.

2. Szczupak A., Halamek J., Halamkova L., Bocharova V., Alfonta L., Katz E. Living battery - biofuel cells operating in vivo in clams // The Royal Society of Chemistry 2012. Energy Environ. Sci. DOI: 10.1039/c2ee21626d.

3. , , Bocharova V., Szczupak A., Alfonta L., Katz E. Implanted Biofuel Cell Operating in a Living Snail // American Chemical Society. - 2012. - Vol. 134. - P. 5040-5043. dx.doi.org/10.1021/ja211714w.

4. Schroder U. From In Vitro to In Vivo-Biofuel Cells Are Maturing // Angewandte Chem. Int. Ed. - 2012. - Vol. 5. - P. 7370-7372.

Способ получения электрической энергии, включающий имплантирование электродов биотопливного элемента в брюшную часть лимфатической пазухи живого организма представителя типа хордовых, класса земноводных травяной лягушки Rana temporaria, где электроды биотопливного элемента выполнены из терморасширенного графита, анод включает водонерастворимый медиатор диметилферроцен и иммобилизованные в геле хитозана клетки бактерий штамма Gluconobacter oxydans sbsp. industrius BKM В-1280.