Модифицированные углеродные электроды: новые подходы в конструировании биоэлектрохимических систем

В статье рассматриваются тенденции развития биоэлектрохимических систем. Показана роль модифицированных углеродных электродов в создании биоэлектрохимических систем нового поколения. Акцентируется внимание на создании устойчивых биопленок, содержащих микроорганизмы и повышение пористости электродной поверхности.

Авторы заявляют, что материал электрода является ключевым компонентом, определяющим эффективность биоэлектрохимической системы и ее коммерческую привлекательность. При этом простое механистическое понимание взаимодействия в системе микроорганизм — электрод и интерполяция результатов одних исследований с использованием определенных микроорганизмов и подходов в модификации электрода на другие исследования не допустимы.

Ключевые слова: биоэлектрохимические системы, топливные элементы, биосенсоры, модифицированные электроды.

Парадигма современного производства с учетом тенденций «зеленой химии» заключается не только в сокращении промышленных отходов, но и эффективной их переработке с целью дополнительного извлечения полезной продукции с высокой добавочной стоимостью [1]. К таковым может относиться производство биоэнергии из отходов, которое может привести как к сокращению загрязнений, так и снизить затраты на их утилизацию.

Среди новых трендов экологически чистых технологий, альтернативными являются микробные биоэлектрохимические системы: микробные топливные элементы или микробные электролитические ячейки, которые все шире находят свое применение в ремедиации сточных и грунтовых вод, очистке воздуха промышленных зон, а также в аналитической химии при мониторинге объектов окружающей среды [2].

Одной из важнейших задач в конструировании биоэлектрохимических систем является решение вопросов, связанных с проблемами взаимодействия микроорганизм — электрод для обеспечения эффективного переноса электронов в системе биокатализатор — твердотельный электрод. При этом природа самого индикаторного электрода и его физико-химические характеристики являются определяющими в этих системах. В этом отношении электроды из углеграфитовых материалов с различной структурной организацией поверхности являются превосходным материалом для создания на их основе индикаторных электродов. Однако, несмотря на высокую электропроводность углеродных и графеновых материалов с различными структурами, формами и свойствами, их применение в биоконверсии и анализе органических соединений наталкивается на высокие перенапряжения и ограничения массо- и электронопереноса. Так, авторы работы [3] определили, что основные потери энергии (83–90 % от общих потерь) в автотрофной модификации микробного топливного элемента обусловлены низкой ионной силой растворов.

В связи с этим модификация поверхности углеродсодержащих электродов обусловливается необходимостью снижения перенапряжения и улучшения массопереноса в биоэлектрохимической системе.

Новые возможности дизайна углеродных электродов опираются на огромное количество публикаций о материалах вообще, и углеродных, в частности. В этом случае, создание устойчивой биопленки на поверхности электродов, играет ключевую роль в генерации электрического тока и получении аналитического сигнала в биоэлектросистемах [4].

Изменяя структуру поверхности или «тела» электрода, его электропроводность, массо- и электронный перенос, а также адгезия биопленки могут быть существенно повышены [5,6]. Эти модификации обусловливают увеличение пористости для наиболее эффективного использования площади поверхности [7]; наличие поверхностных функциональных групп, таких как кислород [8] и азот [9,10]; увеличение проводимости и биосовместимость [11]. Химия и заряд поверхности электрода, обусловленные химической модификацией, оказывают влияние на бактериальные адгезии, образования биопленки и перенос электронов [12].

В последних научных публикациях показано увеличение плотности тока за счет наличия кислород- и азот-содержащих функциональных групп на углероженной бумаге, углеродной ткани, сетчатом стеклоуглероде [8,13]. Подобные модификации поверхности, вероятно, улучшают взаимодействие биопленок с электродом и, следовательно, электрохимическую кинетику электронного переноса. Тем не менее, несмотря на многочисленные исследования, роль свойства поверхности углерода в биоэлектросистемах еще предстоит определить.

Дальнейшим перспективным путем является увеличение активной поверхности площади электродного материала. Исходя из текущих исследований пористых материалов, следует, что интерес исследователей фокусируется на разработке методов генерации функциональных пористых твердых тел с индивидуальными структурами и топологией пор. Особенно интересны иерархические пористые углеродные материалы, которые состоят из комбинации мезопор (между 2–50 нм) и макропор (ширина более 50 нм) [14]. Среди этих трехмерных материалов угольные губки, волокна и аэрогели продемонстрировали увеличение плотности тока до 6,8 мА/см² при получении легколетучих одноосновных карбоновых кислот, таких как муравьиные и уксусная кислоты.

Пористые углеродные электроды, модифицированные углеродными нанотрубками, привлекают внимание исследователей благодаря сочетанию высокой площади поверхности рабочего электрода и удерживания биопленки при сохранении хорошей электропроводности и генерирования высокой плотности тока [15,16].

Таким образом, для конструирования эффективных биоэлектрохимических систем нового поколения, создание электродов, модификация которых объединяет процессы изменения химии поверхности и пористости углеграфитовых материалов остается актуальной проблемой. При этом материал электрода является ключевым компонентом, который определяет эффективность всей биоэлектрохимической системы и ее коммерческую привлекательность. Однако механистическое понимание взаимодействия в системе микроорганизм — электрод и интерполяция результатов одних исследований с использованием определенных микроорганизмов и подходов в модификации электрода на другие биоэлектрохимические системы не допустимы.

Литература:

1. Насимов A. M., Парпиев Н. А., Аронбаев Д. М. «Зеленая химия»: новое мышление? // Материалы республ конф. «Зеленая химия — в интересах устойчивого развития». –Самарканд, 2012. — С.5–8.
2. Решетилов А. Н. Микробные, ферментные и иммунные биосенсоры для экологического мониторинга и контроля биотехнологических процессов // Прикл. биохимия и микробиол. — 2005. — Т. 41, N 5. — С. 504–513. —
3. Puig S., Coma M., Desloover J., Boon N., Colprim J. et al. Autotrophic denitrification in microbial fuel cells treating low ionic strength waters // Environ Sci. Technol. — 2012. –Vol. 46. — P. 2309–2315.
4. Аронбаев Д. М., Насимов А. М., Аронбаев С. Д., Кабулов Б. Д. Принципы конструирования и эксплуатации биосенсорных систем. // Материалы III Всероссийской конф. «Аналитики России». — Краснодар,2009. — С.117.
5. Будников Г. К., Евтюгин Г. А., Майстренко В. Н. Модифицированные электроды для вольтамперометрии в химии и биологии. 2-е издание. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2013. — 368 с.
6. Шайдарова Л. Г. Модифицированные электроды с каталитическими свойствами в органической вольтамперометрии // Автореф. дисс… доктора хим.наук. — Казань, 2009. — 49 с.
7. Sleutels T. H. J.A., Lodder R., Hamelers H. V. M., Buisman C. J. N. Improved performance of porous bio-anodes in microbial electrolysis cells by enhancing mass and charge transport. Intern. Journal of Hydrogen Energy. — 2009.- Vol. 34. — P.9655–9661.
8. Cercado B., Cházaro-Ruiz L. F., Ruiz V., López-Prieto I. J., Buitrón G., et al. Biotic and abiotic characterization of bioanodes formed on oxidized carbon electrodes as a basis to predict their performance // Biosensors and Bioelectronics. — 2013. Vol.50. -P 373–381.
9. Saito T., Mehanna M., Wang X., Cusick R. D., Feng Y., et al. Effect of nitrogen addition on the performance of microbial fuel cell anodes //Bioresour Technol. -2011. –Vol. 102. — P 395–398.
10. Мартынюк О. А. Вольтамперометрическое определение ряда лекарственных веществ на твердых и органо-модифицированных электродах // Автореф. дисс… канд.хим.наук. — Томск, 2010. — 24 с.
11. Guo K., Donose B. C., Soeriyadi A. H., Prévoteau A., Patil S. A., et al. Flame Oxidation of Stainless Steel Felt Enhances Anodic Biofilm Formation and Current Output in Bioelectrochemical Systems // Environmental Science & Technology. — 2014. –Vol.48. — P. 7151–7156.
12. Guo K., Freguia S., Dennis P. G., Chen X., Donose B. C., et al. Effects of surface charge and hydrophobicity on anodic biofilm formation, community composition, and current generation in bioelectrochemical systems // Environmental Science & Technology. — 2013. –Vol. 47. — P. 7563–7570.
13. Zhang T., Nie H., Bain T. S., Lu H., Cui M., et al. Improved cathode materials for microbial electrosynthesis // Energy and Environmental Science. — 2013. — № 6. -P 217–224.
14. Flexer V., Chen J., Donose B. C., Sherrell P., Wallace G. G., et al. The nanostructure of three-dimensional scaffolds enhances the current density of microbial bioelectrochemical systems // Energy and Environmental Science. -2013 Vol.6. — P.1291–1298.
15. Xie X., Ye M., Hu L., Liu N., McDonough J. R., et al. Carbon nanotube coated macroporous sponge for microbial fuel cell electrodes // Energy and Environmental Science. — 2012. — Vol. 5. — P. 5265–5270.
16. Xie X., Hu L., Pasta M., Wells G. F., Kong D., et al. Three-dimensional carbon nanotube-textile anode for high-performance microbial fuel cells // Nano Letters. — 2011. — № 11. — Р 291–296.