Comparative Study of Biocatalytic Oxidation of Some Organic Substrates Using Shewanella xiamenensis and Escherichia coli Microorganisms on Mediator and Non-Mediator Bioanodes

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

In the work, a comparative assessment of the effectiveness of Shewanella xiamenensis and Escherichia coli microorganisms used as a biocatalyst in the process of bioelectrochemical oxidation of various substrates in neutral media on mediator-free and mediator bioanodes was carried out. It was shown that the rate of bioelectrochemical oxidation of the studied organic substrates (citric acid, glucose, sucrose) with the help of S. xiamenensis cells does not depend on the concentration of the mediator introduced into the system (methylene blue)—electron transfer from cells to the electrode occurs as a result of direct contact of cells with the electrode’s surface. A comparative kinetic analysis showed that S. xiamenensis cells are a less effective biological catalyst for the process of glucose oxidation compared to the E. coli microorganism (in the presence of a mediator). The kinetic characteristics of the glucose oxidation reaction in the “mediator–substrate–E. coli cells” system were determined. It was found that the order of the oxidation reaction with respect to glucose at the anode is equal to one, the rate constant of this reaction is 0.0214 min–1, and the half-life of glucose is 33 min. It is shown that the model system under study makes it possible to lower the concentration of glucose in the working solution to the value of the background current, which indicates an almost complete purification of the solution from the organic substrate. It is shown that in solving practical problems in order to increase the efficiency of wastewater treatment from organic substances using mediator-free bioanodes, it is necessary to search for new cells, including other cells of the Shewanella genus, with mandatory immobilization of cells on the electrode surface in order to increase electrical contact.

作者简介

I. Kazarinov

Saratov State University

Email: kazarinovia@mail.ru
Saratov, 410012 Russia

M. Meshcheryakova

Saratov State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: kazarinovia@mail.ru
Saratov, 410012 Russia

参考

  1. Logan, E. and Rabaey, K., Conversion of Wastes into Bioelectricity and Chemicals by Using Microbial Electrochemical Technologies, Science, 2012, vol. 337, p. 686.
  2. Angenent, L.T., Karim, K., Al-Dahhan, M.H., Wrenn, B.A., and Domiguez-Espinosa, R. Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater, TRENDS in Biotechnology, 2004, vol. 22, no. 9, p. 478.
  3. Казаринов, И.А. Введение в биологическую электрохимию. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2012. 216 с. [Kazarinov, I.A., Introduction to biological electrochemistry (in Russian), Saratov: Izd-vo Sarat. un-ta, 2011. 216 p.]
  4. Katz, E., Shipway, A.N., and Willner, I., Handbook of fuel cells – Fundamentals, Technology and Application, Vielstich, W., Gasteiger, H.A., and Lamm, A., Eds, London: John Wiley&Sons. Ltd., 2003, vol. 1, p. 2–27.
  5. Shukla, A.K., Suresh, P., Berchmans, S., and Rajendran, A., Biological fuel cells and their applications, Current Science, 2004, vol. 87, no. 4, p. 455.
  6. Davila, D., Esquivel, J., and Vigues, N., Development and Optimization of Microbial Fuel Cells, J. New Mater. Electroch. Systems, 2008, vol. 11, p. 99.
  7. Bulter, J.I., A diheme c-type cytochrome involved in Fe(III) reduction by Geobacter sulfurreducens, J. Bacteriol, 2004, vol. 186, p. 4042.
  8. Methe, B.A., Genome of Geobacter sulfurreducens: metal reduction in subsurface environments, Science, 2003, vol. 302, p. 1967.
  9. Rabaey, K., Microbial ecology meets electrochemistry: electricity driven and driving communities, ISME J., 2007, vol. 1, p. 9.
  10. Lovley, D.R., Microbial energizers: fuel cells that keep on going, Microbe, 2006, vol. 1, p. 323.
  11. Myers, C.R., Localization of cytochromes to the outer membrane of anaerobically grown Shewanella putrefaciens MR-1, J. Bacteriol, 1992, vol. 194, p. 3429.
  12. Myers, C.R., Role of outer membrane cytochromes OmcA and OmcB of Shewanella putrefaciens MR-1 in reduction of manganese dioxide, Appl. Environ. Biotechnol., 2001, vol. 67, p. 260.
  13. Kim, H.J., A mediator-less microbial fuel cell using a metal reducing bacterium Shewanella putrefaciens, Enzyme Microb. Technol., 2002, vol. 30, p. 145.
  14. Kim, B.H., Direct electrode reaction of Fe(III)-reducing bacterium Shewanella putrefaciens, J. Microbiol. Biotechnol., 1999, vol. 9, p. 127.
  15. Градсков, Д.А., Игнатов, В.В., Казаринов, И.А. Биоэлектрохимическое окисление глюкозы с помощью бактерии Escherichia coli. Электрохимия. 2001. Т. 37. С.1397. [Gradskov, D.A., Ignatov, V.V., and Kazarinov, I.A., Bioelectrochemical oxidation of glucose using the bacterium Escherichia coli, Russ. J. Electrochem., 2001, vol. 37, p. 1216.]
  16. Кузьмичева, Е.В., Степанов, А.Н., Казаринов, И.А., Игнатов, О.В. Изучение кинетики окисления глюкозы бактериальными клетками Escherichia coli с помощью метода вращающегося дискового электрода. Электрохим. энергетика. 2007. Т. 7. С. 200. [Kuzmicheva, E.V., Stepanov, A.N., Kazarinov, I.A., and Ignatov, O.V., Study of the kinetics of glucose oxidation by Escherichia coli bacterial cells using the rotating disk electrode method, Elektrokhimicheskaya energetika (in Russian), 2007, vol. 7, p. 200.]
  17. Казаринов, И.А., Кузьмичева, Е.В., Игнатова, А.А. Оценка эффективности работы экзогенных редокс медиаторов в биоэлектрохимической системе глюкоза-клетки Esherichia coli-медиатор. Электрохим. энергетика. 2011. Т. 11. С. 60. [Kazarinov, I.A., Kuzmicheva, E.V., and Ignatova, A.A., Evaluation of the efficiency of exogenous redox mediators in the bioelectrochemical system glucose-cells Escherichia coli-mediator, Elektrokhimicheskaya energetika (in Russian), 2011, vol. 11, p. 60.]
  18. Казаринов, И.А., Игнатова, А.А., Наумова, М.Н. Кинетика электрокаталитического окисления глюкозы клетками бактерий Escherichia coli в присутствии экзогенных медиаторов. Электрохимия. 2014. Т. 50. С. 97. [Kazarinov, I.A., Ignatova, A.A., and Naumova, M.N., Kinetics of the electrocatalytic oxidation of glucose by Escherichia coli bacterial cells in the presence of exogenous mediators, Russ. J. Electrochem., 2014, vol. 50, p. 87.]

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
2.

下载 (127KB)
3.

下载 (99KB)
4.

下载 (93KB)
5.

下载 (50KB)
6.

下载 (52KB)
7.

下载 (33KB)
8.

下载 (24KB)
9.

下载 (29KB)

版权所有 © И.А. Казаринов, М.О. Мещерякова, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».