Топурак микробдук отун клеткалары (SMFCs): Жаңы дизайн айлана-чөйрөгө жана фермерлерге пайда алып келиши мүмкүн 

Топурак микробдук отун клеткалары (SMFC) электр энергиясын өндүрүү үчүн топурактагы табигый жол менен пайда болгон бактерияларды колдонушат. Кайра жаралуучу энергиянын узак мөөнөттүү, борбордон ажыратылган булагы катары, SMFCлер ар кандай экологиялык шарттарды реалдуу убакыт режиминде көзөмөлдөө үчүн тынымсыз колдонулушу мүмкүн жана ошондой эле так дыйканчылыктын жана акылдуу шаарлардын өсүшүнө салым кошо алат. Бирок, бир кылымдан ашык убакыттан бери бар болгонуна карабастан, SMFCлердин практикалык колдонулушу электр энергиясын өндүрүүдөгү туруксуздуктан улам дээрлик жокко эсе. Учурда жогорку нымдуулуктагы жана суулуу шарттардан тышкары электр энергиясын туруктуу түрдө өндүрө алган SMFC жок. Жакында жүргүзүлгөн бир изилдөөдө изилдөөчүлөр ар кандай дизайн версияларын түзүп, салыштырып, вертикалдык клетканын дизайны иштин натыйжалуулугун жакшыртып, SMFCлерди топурактын нымдуулугунун өзгөрүшүнө туруктуураак кылаарын аныкташкан.

Микробдук отун элементтери (МФУ) – бул органикалык кошулмалардын химиялык байланыштарындагы энергияны микробдордун биокатализи аркылуу электр энергиясына айландыруу менен электр энергиясын өндүргөн биореакторлор. Субстраттын бактериялык кычкылдануусу менен анод бөлүмүндө бөлүнүп чыккан электрондор катодго өткөрүлүп, ал жерде кычкылтек жана суутек иондору менен биригет.

Аэробдук шартта биохимиялык реакциялар, мисалы, субстрат катары ацетат үчүн: 

аноддо кычкылдануу жарым реакциясы 

CH3COO ₋ ⁺ 3H2O _→ CO2 + _HCO3 ⁻ + _8H + ⁺ 8e ⁻

катоддо кыскартуу жарым реакциясы 

2 O ₂ + 8 H ⁺ + 8 e ^- → 4 H ₂ O

Анаэробдук чөйрөдө MFCs электр энергиясын өндүрүү үчүн биоташтандыларды субстрат катары колдоно алат. 

Көп флюоресценттик ...​​​​

Топурак микробдук отун клеткалары (SMFC) электр энергиясын өндүрүү үчүн топурактагы табигый жол менен пайда болгон бактерияларды колдонушат. Оптималдуу шарттарда SMFCлер 731 мВ чыңалуудагы 200 мкВтка чейин кубаттуулукту өндүрө алат. Кайра жаралуучу энергиянын узак мөөнөттүү, борбордон ажыратылган булагы катары SMFCлер ар кандай экологиялык шарттарды реалдуу убакыт режиминде көзөмөлдөө жана саясатты жетектөө үчүн тынымсыз колдонулушу мүмкүн. Булар ошондой эле акылдуу шаарлардын жана фермалардын өсүшүнө салым кошо алат.

Бирок, бир кылымдан ашык убакыттан бери бар болгонуна карабастан, жер деңгээлинде SMFCs практикалык колдонуу абдан чектелген. Учурда нымдуулугу жогору, суулуу шарттардан тышкары ырааттуу түрдө электр энергиясын өндүрө ала турган SMFC жок. Чыгарылган кубаттуулуктун ыраатсыздыгы экологиялык шарттардын, кыртыштын нымдуулугунун, топурактын түрлөрүнүн, кыртышта жашаган микробдордун ж.б. айырмачылыктары менен түшүндүрүлөт. Клеткалар ырааттуу энергия чыгаруу үчүн адекваттуу гидратталган жана кычкылтек менен камсыз болушу керек, бул кургак топурак менен жер астында көмүлгөндө кыйын маселе болушу мүмкүн.   

Вертикалдуу клетканын дизайны өндүрүмдүүлүктү жакшыртат жана SMFCлерди топурактын нымдуулугунун өзгөрүшүнө туруктуураак кылат.  

Жакында жүргүзүлгөн изилдөө (2 жылдык итеративдик дизайн процессин камтыган SMFC жайылтуу маалыматтарынын бириккен тогуз айы) жалпы дизайн көрсөтмөлөрүнө жетүү үчүн клетканын дизайнын системалуу түрдө сынап көрдү. Изилдөө тобу төрт түрдүү версияны түзүп, салыштырган, анын ичинде катод менен анод бири-бирине параллелдүү болгон салттуу дизайн. Күйүүчү май клеткасынын вертикалдык дизайны (3-версия: аноддун горизонталдык багыты жана катоддун ориентациясынын перпендикуляры) эң мыкты деп табылды. Ал суу астында калган нымдуулук диапазонунда бир аз кургак абалга чейин жакшы иштеген.  

Вертикалдуу конструкцияда анод (бактериялар чыгарган электрондорду кармоо үчүн көмүртектен жасалган) жер бетине перпендикуляр нымдуу топуракка көмүлөт, ал эми катод (инерттүү, өткөргүч металлдан жасалган) вертикалдуу түрдө аноддун үстүндө горизонталдуу жерде отурат. жарым-жартылай калыбына келтирүү реакциясын аяктоо үчүн кычкылтек жеткиликтүү болгон деңгээл.  

Клетканы суу каптаганда долбоорлоо үчүн кубаттуулук бир кыйла жогору болгон. Ал толугу менен суу астындагы абалдан бир аз кургак (көлөмү боюнча 41% суу) чейин жакшы иштеген, бирок активдүү бойдон калуу үчүн дагы эле 41% көлөмдүк суунун курамы (VWC) талап кылынат.  

Бул изилдөө нымдуулуктун өзгөрүшүнө ырааттуулукту жана туруктуулукту жакшыртуу үчүн SMFCs дизайн аспектисине байланыштуу суроого жооп берет. Авторлор бардык долбоорлорду, окуу куралдарын жана симуляция куралдарын коомчулукка колдонуу жана куруу үчүн чыгарышкандыктан, бул жакынкы келечекте так дыйканчылык сыяктуу ар түрдүү чөйрөлөрдө кеңири колдонууга которулушу керек деп үмүттөнөбүз.  

*** 

Колдонулган адабияттар:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Микробдук отун клеткалары: үйрөнчүктөр үчүн комплекстүү карап чыгуу. 3 Биотехнология. 2021-жылдын майы; 11(5): 248. Онлайн жарыяланды 01 Май 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. он Б., жана башкалар 2024. Топурак менен иштөөчү эсептөө: Топурактын микробдук отун клеткасынын практикалык дизайнына инженердик колдонмо. Published:12 January 2024. Интерактивдүү, мобилдик, тагынуучу жана бардык жерде колдонулуучу технологиялар боюнча ACM материалдары. 7-том 4-бас. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Түндүк-Батыш университети. Жаңылыктар-Кир менен иштеген күйүүчү май клеткасы түбөлүккө иштейт. 12-жылдын 2024-январында жайгаштырылган. Бул даректе жеткиликтүү https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***