Influence of surfactants on the functioning of Micrococcus luteus 1-i strain in biofuel cells

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The operation of biofuel cells (BFC) based on the Micrococcus luteus 1-i strain under the action of the main representatives of various groups of surfactants has been analyzed. The following were tested: cetyltrimethylammonium bromide (cationic surfactant), Tween-80 (non-ionic surfactant), sodium lauryl sulfate (anionic surfactant). It was shown that cetyltrimethylammonium bromide reduced the electrical characteristics of BFC at concentrations of 10 mg/l, Tween-80 – from 5 ml/l, sodium lauryl sulfate – from 100 mg/l. A comparison of the electrogenic activity of bacteria in BFCs with their viability and the kinetics of the redox potential of the anolyte allowed us to conclude that the decrease in the efficiency of the studied BFCs under the influence of surfactants in the tested concentration ranges is associated with their toxic effect on microbial cells.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Одними из наиболее распространенных компонентов хозяйственно-бытовых, фекальных и производственных сточных вод являются поверхностно-активные вещества (ПАВ) [1]. В определенных концентрациях присутствие в сточных водах таких активных в физико-химическом плане соединений, обладающих высокой способностью проникать через клеточные барьеры, в принципе должно оказывать влияние на микроорганизмы-электрогены в биотопливных элементах (БТЭ).

В зависимости от химической природы, ПАВ подразделяют на четыре основных класса: анионные (гидрофильная группа несет отрицательный заряд); катионные (гидрофильная группа несет положительный заряд); цвиттер-ионные (гидрофильная группа имеет группировки, позволяющие молекуле иметь как положительный, так и отрицательный заряд) и неионогенные (гидрофильная группа не несет заряда) [2]. Разность их химической природы обуславливает различный механизм взаимодействия с микробными клетками и, соответственно, различную степень опасности для организмов, в том числе и для микроорганизмов-биодеструкторов [3].

Ранее проведенные исследования продемонстрировали перспективность применения в БТЭ бактерий Micrococcus luteus [4]. Нами также был выделен (источник выделения – активный ил нефтеперерабатывающего предприятия в г. Ангарск, Россия) электрогенный штамм M. luteus 1-и. Изучены электрохимические параметры БТЭ на основе этого штамма в процессах утилизации дикарбоновых кислот, углеводов, модельных сточных вод [5–7].

В данной работе оценивали влияние на эффективность работы бактериального штамма M. luteus 1-и в БТЭ основных представителей групп ПАВ – цетилтриметиламмония бромида (катионоактивный ПАВ), твина-80 (неионогенный ПАВ), лаурилсульфата натрия (анионоактивный ПАВ).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объект исследования – бактериальный штамм M. luteus 1-и. Он выделен из активного ила очистных сооружений нефтеперерабатывающего предприятия (г. Ангарск, Россия) и депонирован во Всероссийской коллекции микроорганизмов под номером ВКМ Ас-2637D. Культивирование бактерий и наращивание их биомассы для экспериментов с БТЭ осуществляли на мясопептонном агаре (состав среды, г/л: пептон ферментативный – 10.0; мясной экстракт – 11.0±1.0; натрия хлорид – 5.0; агар микробиологический – 15.0±3.0). Оптимальная для роста штамма температура – +30 °С.

Электрогенную активность испытуемого бактериального штамма оценивали в двухкамерных БТЭ [8, 9]. В качестве материала для их изготовления использовали оргстекло Plexiglas толщиной 3 мм. Две прямоугольные камеры (каждая объемом 400 мл) сообщались друг с другом через прямоугольные отверстия (размером 40×120 мм) в боковой части каждой из камер, в которых фиксировали протонообменную мембрану “МФ-4СК” (Пластполимер, Россия). В верхней крышке каждой из камер имелись отверстия (диаметром 24 мм) для размещения рабочих электродов – углеродной ткани “Урал Т-22Р А” (Светлогорскхимволокно, Беларусь). В катодной камере также располагалось дополнительное отверстие для аэрации католита. Анодную камеру закупоривали полностью, для обеспечения анаэробных условий анолита (рис. 1).

 

Рис. 1. Используемый в работе двухкамерный БТЭ [9]: 1 – анодная камера; 2 – катодная камера; 3 – катодный электрод; 4 – анодный электрод; 5 – резиновые крышки, закрывающие и фиксирующие электроды; 6 – резиновая заглушка в анодной камере, через которую отбирают пробы и вносят субстраты и биоагенты при помощи шприца; 7 – протонообменная мембрана МФ-4СК.

 

Католитом служил водный раствор следующего состава (мг/л): Na2CO3 – 50.0; KH2PO4 – 25.0; СaСl2 – 7.5; МgSO4∙7H2O – 5.0. Это модифицированный состав модельной сточной воды (ГОСТ Р 50595-93). Анолит имел аналогичный состав, но с добавлением органического субстрата – пептона (500 мг/л). Он служил источником углерода и энергии для M. luteus 1-и. При изучении действия ПАВ на электрогенную активность бактерий в БТЭ, в анолит добавляли растворы ПАВ в определенных концентрациях. Электрические взаимодействия играют важнейшую роль в процессах сорбции микробных клеток на электродах БТЭ при генерировании ими электрического тока. Это обусловило выбор в данной работе детергентов с разной степенью заряженности – положительно заряженный цетилтриметиламмония бромид (представитель катионоактивных ПАВ), отрицательно заряженный лаурилсульфат натрия (представитель анионоактивных ПАВ) и ПАВ с нейтральным зарядом твин-80 (представитель неионогенных ПАВ). Эти соединения нередко используются в качестве типичных представителей разных классов ПАВ при изучении их роли в различных химических и биологических процессах (табл. 1).

 

Таблица 1. Основные характеристики используемых в работе поверхностно-активных веществ

ПАВ, его характеристика

Структурная формула

Концентрации, используемые в работе

Лаурилсульфат натрия

(додецилсульфат натрия) (х. ч.).

C12H25SO4Na,

натриевая соль лаурилсерной кислоты. Анионоактивное ПАВ

50 мг/л

100 мг/л

500 мг/л

1000 мг/л

Твин-80 (полисорбат 80) (имп.).

C64H26O124,

полиоксиэтилен, полученный из сорбитана и олеиновой кислоты.

Неионогенное ПАВ

5 мл/л

10 мл/л

30 мл/л

50 мл/л

Цетилтриметиламмония бромид (CTAB) (имп.).

C19H42BrN,

относится к четвертичным аммониевым соединениям. Катионоактивное ПАВ

10 мг/л

50 мг/л

100 мг/л

500 мг/л

 

Перед началом работы обе камеры БТЭ стерилизовали 3%-ным раствором перекиси водорода в течение 20 мин. После этого каждый отсек БТЭ тщательно промывали стерильной водой, чтобы удалить остатки H2O2. Далее БТЭ помещали под ультрафиолетовую лампу (МЕД-1, Россия) на 15 мин. После этого с соблюдением всех правил асептики камеры БТЭ заполняли электролитом. Анодную ячейку заполняли полностью до самого верха, а катодную – на 2-3 см ниже верхнего уровня отсека. Это позволяло минимизировать присутствие кислорода воздуха в анолите путем вытеснения его жидкостью, а католит – напротив, аэрировать. Через специальные отверстия в верхней части камер в БТЭ размещали анодный и катодный электроды, которые фиксировали резиновыми пробками, плотно прилегающими к крышке. Биоагент (M. luteus 1-и) и субстрат (пептон) вносили при помощи стерильного шприца через специальную резиновую заглушку в боковой части анодной камеры.

Регистрацию силы тока и напряжения проводили с использованием цифрового мультиметра Fluke 17B (Fluke, Китай) и магазина сопротивлений ПрофКиП Р33 (ПрофКиП, Россия).

Численность клеток микроорганизмов препарата в БТЭ оценивали методом Коха [10]. Отбор проб анолита производили при помощи стерильного шприца через специальную резиновую заглушку в боковой части анодной камеры. Инкубирование бактерий осуществляли на рыбо-пептонном агаре в течение 2 сут. Окислительно-восстановительный потенциал анолита оценивали при помощи анализатора жидкости Эксперт-001-3.0.1 (Эконикс-Эксперт, Россия) с комбинированным редокс-электродом ЭРП-105 (Измерительная техника, Россия).

Для статистической обработки полученных данных применяли пакет программ Microsoft Excel. На графиках приведены значения среднего арифметического и стандартное отклонение среднего арифметического (или средняя квадратичная ошибка). Достоверность различия результатов определяли с помощью критерия Стьюдента. Выводы сделаны с вероятностью безошибочного прогноза Р≥0.95.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В экспериментах были найдены концентрации ПАВ, понижающие эффективность БТЭ при воздействии на работу анодного биокатализатора – штамма M. luteus. Цетилтриметиламмония бромид (СТАВ) приводил к уменьшению электрических характеристик БТЭ в концентрациях от 10 мг/л (рис. 2, 3), твин-80 – от 5 мл/л (рис. 4, 5), лаурилсульфат натрия (SLS) – от 100 мг/л (рис. 6, 7).

 

Рис. 2. Влияние катионоактивного ПАВ цетилтриметиламмония бромида на динамику напряжения (измерено в режиме разомкнутой цепи) (а) и силу тока (б) (измерено в режиме короткого замыкания), генерируемого в БТЭ штаммом M. luteus 1-и (анолит – модельная сточная вода (субстрат – пептон 500 мг/л), электроды – углеродная ткань); ● – контроль (без ПАВ); × – CTAB 10 мг/л; ▲ – CTAB 50 мг/л; ■ – CTAB 100 мг/л; ♦ – CTAB 500 мг/л.

 

Рис. 3. Влияние катионоактивного ПАВ цетилтриметиламмония бромида на мощность исследуемых БТЭ при их работе на внешнюю нагрузку (Ω) от 10 Ом до 100 кОм (анодный биокатализатор – штамм M. luteus 1-и; анолит – модельная сточная вода (субстрат – пептон 500 мг/л), электроды – углеродная ткань).

 

Рис. 4. Влияние неионогенного ПАВ твина-80 на динамику напряжения (измерено в режиме разомкнутой цепи) (а) и силу тока (б) (измерено в режиме короткого замыкания), генерируемого в БТЭ штаммом M. luteus 1-и (анолит – модельная сточная вода (субстрат – пептон 500 мг/л), электроды – углеродная ткань); ● – контроль (без ПАВ); × – твин-80 5 мл/л; ▲ – твин-80 10 мл/л; ■ – твин-80 30 мл/л; ♦ – твин-80 50 мл/л.

 

Рис. 5. Влияние неионогенного ПАВ твина-80 на мощность исследуемых БТЭ при их работе на внешнюю нагрузку (Ω) от 10 Ом до 100 кОм (анодный биокатализатор – штамм M. luteus 1-и; анолит – модельная сточная вода (субстрат – пептон 500 мг/л), электроды – углеродная ткань).

 

Рис. 6. Влияние анионоактивного ПАВ лаурилсульфата натрия на динамику напряжения (измерение в режиме разомкнутой цепи) (а) и силу тока (б) (измерено в режиме короткого замыкания), генерируемого в БТЭ штаммом M. luteus 1-и (анолит – модельная сточная вода (субстрат – пептон 500 мг/л), электроды – углеродная ткань); ● – контроль (без ПАВ); × – SLS 50 мг/л; ▲ – SLS 100 мг/л; ■ – SLS 500 мг/л; ♦ – SLS 1000 мг/л.

 

Рис. 7. Влияние различных концентраций лаурилсульфата натрия на изменение численности жизнеспособных клеток M. luteus 1-и при утилизации пептона (0,5 г/л) в БТЭ.

 

Максимальная мощность, генерируемая в исследуемых БТЭ штаммом M. luteus, развивалась при его работе на внешнюю нагрузку 1 кОм. В отсутствие ПАВ этот показатель на 5 сут экспонирования составлял 0.014 мВт. При внесении в анолит БТЭ 10 и 50 мг/л СТАВ значение максимальной мощности было значительно ниже – 0.003 мВт. Дальнейшее повышение содержания СТАВ в анолите БТЭ практически полностью ингибировало процесс электрогенерации (рис. 3).

Скачки электрических характеристик при работе БТЭ на внешнюю нагрузку в 0.5–10 кОм, наблюдаемые при изменении концентрации ПАВ в растворах в диапазоне 50–500 мг/л (см. рис. 3), по нашему мнению, могут быть связаны с особенностями действия молекул ПАВ на поверхность. Известно, что при действии ПАВ на различные поверхности чаще всего наблюдается двухстадийный эффект: на первом этапе детергенты садятся на гидрофобную поверхность гидрофобным участком молекулы, а гидрофильная ее часть остается свободной. В результате этого после заполнения поверхности одним слоем детергента поверхность становится более гидрофильной за счет “торчащих” наружу гидрофильных “концов” молекул ПАВ. При дальнейшем повышении концентрации ПАВ в растворе на испытуемой поверхности может формироваться второй слой этих веществ. Но в этом случае молекулы детергента присоединяются уже гидрофильным участком к таким же свободным гидрофильным участкам молекул ПАВ первого слоя. Соответственно, на этот раз свободными остаются гидрофобные участки молекул, снова повышая гидрофобность обрабатываемой поверхности [11]. После изменения характера поверхности меняются и условия взаимодействия с ней клеток. А это в свою очередь может значительно влиять на электрогенез в БТЭ.

Неионогенный ПАВ твин-80 снижал показатели напряжения (рис. 4a), силы тока (рис. 4б) и мощности (рис. 5), генерируемые в БТЭ штаммом M. luteus, при содержании от 5 мл/л. Однако следует отметить, что концентрационной зависимости электрогенной активности штамма в БТЭ выявить не удалось.

Понижение энергоэффективности БТЭ в присутствии твина-80 наиболее наглядно видно при расчете мощности испытуемых биоэлектрохимических систем, произведенной при измерении характеристик БТЭ при его работе на внешнюю нагрузку (рис. 5).

Более детально оценено влияние анионоактивного ПАВ SLS на электрогенную активность M. luteus в БТЭ. Уменьшение электрических показателей БТЭ происходило в присутствии 100 мг/л этого ПАВ и выше. Так, при добавлении 50 мг/л SLS напряжение разомкнутой цепи (рис. 6a) и сила тока короткого замыкания (рис. 6б) соответствовали таковым в контрольном опыте (т.е., без добавления ПАВ). При концентрации 100 мг/л электрические показатели были ниже, чем в контрольном варианте. За 60 ч экспонирования контрольный БТЭ генерировал напряжение до 480 мВ, силу тока до 634 мкА, а БТЭ, содержащий в анолите 100 мг/л SLS, – 291 мВ и 349 мкА соответственно. ПАВ в содержании 1000 мг/л блокировал процесс генерирования электрического тока (рис. 6).

Результаты оценки жизнеспособности микроорганизмов в исследуемых БТЭ демонстрируют взаимосвязь снижения электрогенной активности под действием ПАВ с ингибированием роста культуры и при определенных концентрациях загрязнителя – ее гибелью. Так, при добавлении 100 мг/л SLS количество жизнеспособных клеток за 2 сут инкубирования увеличивалось менее значительно (в 2 раза от исходного) по сравнению с контрольным вариантом (с 4.39·105 до 61.8·105 КОЕ/мл, т.е. в 14 раз от исходного). Повышение концентрации SLS до 500 мг/л приводило к сокращению количества жизнеспособных клеток – с 4.39·105 (исходное количество) до 9.5·104 КОЕ/мл (на 2 сут инкубирования). При 1000 мг/л SLS в среде жизнеспособные клетки M. luteus не обнаруживались методами посева, что позволяет говорить об их гибели (рис. 7).

Подавление электрогенной активности микроорганизмов и изменение кинетики их роста под воздействием SLS сопровождалось и изменением динамики окислительно-восстановительного потенциала анолита БТЭ.

Так, в БТЭ, содержащем культуру M. luteus с органическим субстратом (пептон 500 мг/л) без добавления токсиканта, редокс-потенциал за 60 ч экспонирования снижался с +285 до –139 мВ. Схожую кинетику показателя наблюдали и в присутствии 50 мг/л SLS. При повышении содержания этого ПАВ до 100 мг/л в анолите БТЭ его окислительно-восстановительный потенциал уменьшался с +231 до +35 мВ. При внесении 1 г/л SLS показатель редокс-потенциал практически не изменялся, что соответствовало контрольному варианту, содержащему культуру микроорганизма-биокатализатора с модельной сточной водой без субстрата (рис. 8).

 

Рис. 8. Влияние различных концентраций лаурилсульфата натрия на изменение окислительно-восстановительного потенциала анолита БТЭ с культурой M. luteus 1-и в качестве анодного биокатализатора.

 

Продемонстрированные зависимости позволяют полагать, что ухудшение эффективности работы БТЭ происходило из-за токсических эффектов испытуемых ПАВ (в исследованном диапазоне концентраций) на бактериальный штамм M. luteus 1-и. В условиях наших экспериментов катионный ПАВ цетилтриметиламмония бромид снижал электрические характеристики БТЭ на основе штамма M. luteus 1-и в концентрациях от 10 мг/л, анионоактивный ПАВ лаурилсульфат натрия – от 100 мг/л, неионогенный ПАВ твин-80 – от 5 мл/л. Действительно, анализ литературных данных показывает, что синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) могут оказывать очень сильное действие на развитие микроорганизмов различной систематической принадлежности: бактерии, водоросли и грибы [12].

В то же время известно, что более низкие концентрации ПАВ могут приводить к повышению интенсивности выходной мощности БТЭ. Например, в работе [13] авторы наблюдали повышение выходной мощности БТЭ при использовании модификации анода твином-20. Полученный эффект, по мнению авторов, был обусловлен интенсификацией реакции переноса электронов в результате действия ПАВ на клеточные стенки микроорганизмов, которые действуют как барьер для эффективного опосредованного внеклеточного переноса электронов [13]. Ряд других авторов также наблюдали подобные эффекты усиления выработки электроэнергии за счет внесения извне ПАВ биологического происхождения – биосурфактантов [14–16].

Интенсификация электрогенеза в БТЭ может быть связана с улучшением контакта микробных клеток с электродом. Некоторые исследователи продемонстрировали возможность ускорения образования микробной биопленки при действии синтетических ПАВ и биосурфактантов, вырабатываемых микроорганизмами [17, 18].

Увеличение выработки электроэнергии в присутствии ПАВ может быть связано с ускорением транспорта веществ в клетку, особенно гидрофобных, за счет усиленного эмульгирования, как показано в [19, 20].

В связи с вышесказанным, в последующих экспериментах будет проанализировано действие более низких концентраций испытанных ПАВ на электрогенную активность штамма M. luteus 1-и. Возможно, это позволит определить диапазоны концентраций ПАВ, оказывающие положительное влияние на кинетику электрических параметров БТЭ. На основании этого могут быть сформулированы рекомендации к управлению процессами биологической очистки сточных вод, содержащих ПАВ, в технологии БТЭ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, экспериментально показано, что цетилтриметиламмония бромид (катионный ПАВ) понижал электрические характеристики БТЭ на основе штамма M. luteus 1-и в концентрациях от 10 мг/л, лаурилсульфат натрия – от 100 мг/л, твин-80 – от 5 мл/л.

На примере SLS продемонстрирована взаимосвязь между подавлением электрогенной активности M. luteus 1-и при действии ПАВ и ингибированием роста культуры (а при определенных концентрациях загрязнителя – ее гибелью). Кроме того, снижение электрогенной активности микроорганизмов и изменение кинетики их роста под воздействием SLS сопровождалось и изменением динамики окислительно-восстановительного потенциала анолита БТЭ. Это позволяет сделать вывод, что ухудшение эффективности работы исследуемых БТЭ при действии ПАВ в испытанных диапазонах концентраций связано с их токсическим действием на микробные клетки.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят Коновалову Е.Ю. за предоставление штамма M. luteus 1-и.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Ханты-Мансийского автономного округа-Югры в рамках проекта № 2023-227-05 “Разработка эффективных методов ускорения деструкции нефтепродуктов в почвенно-климатических условиях Ханты-Мансийского автономного округа-Югра” (Пр. 10-П-1534 от 20.06.2023).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

About the authors

D. I. Stom

Surgut State University; Baikal Museum of the SB RAS; Irkutsk National Research Technical University

Author for correspondence.
Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9496-2961
Russian Federation, Surgut; Listvyanka, Irkutsk region; Irkutsk

I. A. Topchiy

Irkutsk State University

Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9091-4062
Russian Federation, Irkutsk

G. O. Zhdanova

Irkutsk State University

Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8355-9517
Russian Federation, Irkutsk

P. S. Stashkevich

Irkutsk State University

Email: stomd@mail.ru
Russian Federation, Irkutsk

K. A. Khramtsova

Irkutsk State University

Email: stomd@mail.ru
Russian Federation, Irkutsk

Yu. Yu. Petrova

Surgut State University

Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3702-2249
Russian Federation, Surgut

R. V. Lepikash

Tula State University

Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7853-2937
Russian Federation, Tula

A. B. Kupchinsky

Baikal Museum of the SB RAS

Email: stomd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8884-8636
Russian Federation, Listvyanka, Irkutsk region

References

  1. Arora, J., Ranjan, A., Chauhan, A., Biswas, R., Rajput, V.D., and Sushkova, S., Surfactant pollution, an emerging threat to ecosystem: Approaches for effective bacterial degradation, J. Appl. Microbiol., 2022, vol. 133, р. 1229. https://doi.org/10.1111/jam.15631
  2. Massarweh, O. and Abushaikha, A.S., The use of surfactants in enhanced oil recovery: A review of recent advances, Energy Reports, 2020, vol. 6, р. 3150. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.11.009
  3. Sutormin, O.S., Kolosova, E.M., Torgashina, I.G., Kratasyuk, V.A., Kudryasheva, N.S., Kinstler, J.S., and Stom, D.I., Toxicity of Different Types of Surfactants via Cellular and Enzymatic Assay Systems, Int. J. Mol. Sci., 2023, vol. 24, р. 515. https://doi.org/ 10.3390/ijms24010515
  4. Choi, Y., Jung, E., Park, H., Jung, S., and Kim, S., Effect of initial carbon sources on the performance of a microbial fuel cell containing environmental microorganism Micrococcus luteus, Korean Chem. Soc., 2007, vol. 28(9), p. 1591.
  5. Chesnokova, A.N., Zakarchevsky, S.A., Zhdanova, G.O., and Stom, D.I., Electrochemical Parameters of Microbial Fuel Cells Based on the Micrococcus luteus Strain, New Ion-Exchange Membranes and Various Sugars, Russ. J. Electrochem., 2023, vol. 59, р. 660. https://doi.org/10.1134/S1023193523090057
  6. Stom, D.I., Saksonov, M.N., Gavlik, E.I., Zhdanova, G.O., Sasim, S.A., Kazarinova, T. Ph., Tolstoy, M.Yu., and Gescher, J., Effect of Sodium Lauryl Sulfate on Sorption of Cells of the Electrogenic Bacterium Strain Micrococcus luteus on Carbon Cloth, Indian J. Microbiol., 2023, vol. 63, р. 50. https://doi.org/10.1007/s12088-023-01058-9
  7. Kuznetsov, A.V., Khorina, N.N., Konovalova, E.Yu., Amsheev, D.Yu., Ponamoreva, O.N., and Stom, D.I., Bioelectrochemical processes of oxidation of dicarboxylic amino acids by strain Micrococcus luteus 1-I in a biofuel cell, IOP Conf Ser: Earth and Environ Sci, 2021, vol. 808, 012038. https://doi.org/10.1088/1755-1315/808/1/012038
  8. Stom, D.I., Zhdanova, G.O., Kalashnikova, O.B., Bulaev, A.G., Kashevskii, A.V., Kupchinsky, A.B., Vardanyan, N.S., Ponamoreva, O.N., Alferov, S.V., Saksonov, M.N., Chesnokova, A.N., and Tolstoy, M.Yu., Acidophilic Microorganisms Leptospirillum sp., Acidithiobacillus sp., Ferroplasma sp. As a Cathodic Bioagents in a MFC, Geomicrobiol. Journal, 2021, vol. 38(4), р. 340, doi: 10.1080/01490451.2020.1856980
  9. Стом, Д.И., Жданова, Г.О., Юдина, Н.Ю., Алферов, С.В., Чеснокова, А.Н., Толстой, М.Ю., Купчинский, А.Б., Саксонов, М.Н., Закарчевский, С.А., Энхдул, Т., Францетти, А., Рахимнеджад, М. Комплексный биопрепарат “Доктор Робик” как биоагент для утилизации фитомассы водных растений в биотопливных элементах. Изв. вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022. Т. 12. № 1 (40). С. 50. [Stom, D.I., Zhdanova, G.O., Yudina, N.Yu., Alferov, S.V., Chesnokova, A.N., Tolstoy, M.Yu., Kupchinsky, A.B., Saksonov, M.N., Zakarchevskiy, S.A., Enkhdul, T., Franzetti, A., and Rahimnejad, M., The “Doctor Robik 109” complex biopreparation as a bioagent for utilizing aquatic plant phytomass in biofuel cells, Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology (In Russian), 2022, vol. 12(1), p. 50.] https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-1-50-63
  10. Grigorova, R. and Norris, J.R., Methods in Microbiology, 1990, vol. 22, 618 р.
  11. Mushtaq, M., Al-Shalabi, E.W., and AlAmeri, W., A review on retention of surfactants in enhanced oil recovery: A mechanistic insight, Geoenergy Sci. and Engineering, 2023, vol. 230, 212243, https://doi.org/10.1016/j.geoen.2023.212243
  12. Domracheva, L.I. and Simakova, V.S., Reactions of pro- and eukaryotic microorganisms to the action of synthetic surfactants (review) Theoret. and Appl. Ecology, 2018, №1, p. 5.
  13. Tominaga, M., Ohmura, K., Ototani, Sh., and Darmawan, R., Accelerating electricity power generation and shortening incubation period of microbial fuel cell operated in tidal flat sediment by artificial surfactant anode modification, Biochem. Engineering Journal, 2022, vol. 185, 108536. https://doi.org/10.1016/j.bej.2022.108536
  14. Pasternak, G., Askitosari, T.D., and Rosenbaum, M.A., Biosurfactants and synthetic surfactants in bioelectrochemical systems: a mini-review, Front. Microbiol., 2020, vol. 358. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00358
  15. Zhang, Y., Jiang, J., Zhao, Q., Gao, Y., Wang, K., Ding, J., Yu, H., and Yao, Y., Accelerating anodic biofilms formation and electron transfer in microbial fuel cells: role of anionic biosurfactants and mechanism, Bioelectrochem., 2017, vol. 117, р. 48. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2017.06.002
  16. Zhang, Y., Jiang, J., Zhao, Q., Wang, K., and Yu, H., Analysis of functional genomes from metagenomes: revealing the accelerate electron transfer in microbial fuel cell with rhamnolipid addition, Bioelectrochem., 2018, vol. 119, p. 59. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2017.08.010
  17. Cheng, P., Shan, R., Yuan, H.-R., Deng, L., and Chen, Y., Enhanced Rhodococcus pyridinivorans HR-1 anode performance by adding trehalose lipid in microbial fuel cell, Bioresour. Technol., 2018, vol. 267, p. 774. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.08.006
  18. Naik, S. and Jujjavarapu, S.E., Enhanced bioelectricity generation by novel biosurfactant producing bacteria in microbial fuel cells, Environ. Technol. Innov., 2021, vol. 23, 101665. https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101665
  19. Hwang, J.-H., Kim, K.-Y., Resurreccion, E.P., and Lee, W.H., Surfactant addition to enhance bioavailability of bilge water in single chamber microbial fuel cells (MFCs), J. Hazardous Mater., 2019, vol. 368, p. 732. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.02.007
  20. Wen, Q., Kong, F., Ma, F., Ren, Y., and Pan, Zh., Improved performance of air-cathode microbial fuel cell through additional Tween 80, J. Power Sources, 2011, vol. 196(3), p. 899. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.09.009

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The two-chamber BFC used in the work [9]: 1 – anode chamber; 2 – cathode chamber; 3 – cathode electrode; 4 – anode electrode; 5 – rubber caps that close and fix the electrodes; 6 – rubber plug in the anode chamber, through which samples are taken and substrates and bioagents are introduced using a syringe; 7 – MF-4SK proton exchange membrane.

Download (49KB)
Indexing metadata
3. Fig. in table 1

Download (10KB)
Indexing metadata
4. Fig. in table 2

Download (26KB)
Indexing metadata
5. Fig. in table 3

Download (10KB)
Indexing metadata
6. Fig. 2. Effect of cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide on the dynamics of voltage (measured in open circuit mode) (a) and current (b) (measured in short circuit mode) generated in a biofuel cell by the M. luteus 1-i strain (anolyte – model wastewater (substrate – peptone 500 mg/l), electrodes – carbon fabric); ● – control (without surfactant); × – CTAB 10 mg/l; ▲ – CTAB 50 mg/l; ■ – CTAB 100 mg/l; ♦ – CTAB 500 mg/l.

Download (156KB)
Indexing metadata
7. Fig. 3. The effect of the cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide on the power of the studied biofuel cells during their operation under an external load (Ω) from 10 Ohm to 100 kOhm (anodic biocatalyst – strain M. luteus 1-i; anolyte – model wastewater (substrate – peptone 500 mg/l), electrodes – carbon fabric).

Download (83KB)
Indexing metadata
8. Fig. 4. Effect of nonionic surfactant Tween-80 on the dynamics of voltage (measured in open circuit mode) (a) and current (b) (measured in short circuit mode) generated in a biofuel cell by the M. luteus 1-i strain (anolyte – model wastewater (substrate – peptone 500 mg/l), electrodes – carbon fabric); ● – control (without surfactant); × – Tween-80 5 ml/l; ▲ – Tween-80 10 ml/l; ■ – Tween-80 30 ml/l; ♦ – Tween-80 50 ml/l.

Download (188KB)
Indexing metadata
9. Fig. 5. The effect of non-ionic surfactant tween-80 on the power of the studied biofuel cells during their operation under an external load (Ω) from 10 Ohm to 100 kOhm (anodic biocatalyst – strain M. luteus 1-i; anolyte – model wastewater (substrate – peptone 500 mg/l), electrodes – carbon fabric).

Download (79KB)
Indexing metadata
10. Fig. 6. Effect of the anionic surfactant sodium lauryl sulfate on the dynamics of voltage (measured in open circuit mode) (a) and current (b) (measured in short circuit mode) generated in a biofuel cell by the M. luteus 1-i strain (anolyte – model wastewater (substrate – peptone 500 mg/l), electrodes – carbon fabric); ● – control (without surfactant); × – SLS 50 mg/l; ▲ – SLS 100 mg/l; ■ – SLS 500 mg/l; ♦ – SLS 1000 mg/l.

Download (162KB)
Indexing metadata
11. Fig. 7. The effect of different concentrations of sodium lauryl sulfate on the change in the number of viable cells of M. luteus 1-i during the utilization of peptone (0.5 g/l) in BTE.

Download (73KB)
Indexing metadata
12. Fig. 8. The effect of different concentrations of sodium lauryl sulfate on the change in the oxidation-reduction potential of the BTE anolyte with the M. luteus 1-i culture as an anode biocatalyst.

Download (103KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

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».