Чи можна отримати електричну енергію зі стічних вод, органічних відходів чи біомаси? Так – відповідають біоенергетики та електрохіміки. Мікробні паливні елементи мають потенціал для створення ефективних і сталих джерел енергії.
У цьому переконані, зокрема, на кафедрі біоенергетики, біоінформатики та екобіотехнології ФБТ. Тут досліджують мікробні паливні елементи (МПЕ) з мікроводоростями – технологію, яка дає змогу одночасно очищувати стічні води та генерувати електричну енергію.
З історії. Одна з перших робіт, в якій було продемонстровано можливість біоелектрохімічної конверсії органічних речовин в електричну енергію в мікробному паливному елементі, належить британському біологу Майклу Кресе Поттеру. Сталося це в 1911 році.
З тих пір дослідження МПЕ значно розширилися, і тепер існує чимало модифікацій та інтегрованих систем: ґрунтові МПЕ, донні МПЕ, водно-болотяні МПЕ, та створені на основі МПЕ біосенсори, біокомп'ютери й роботи (в автономному режимі живляться від МПЕ). Також існують МПЕ, які поглинають вуглекислий газ, та модифікації МПЕ, здатні опріснювати морську воду, що особливо важливо для регіонів, де не вистачає прісної води. Тобто МПЕ, які досліджують сьогодні, мають попит у різних сферах людської діяльності.
На кафедрі біоенергетики, біоінформатики та екобіотехнології вивченню мікробних паливних елементів присвятили свої дослідження професор Євгеній Кузьмінський, доцент Катерина Щурська, старший викладач Людмила Зубченко, Ірина Самаруха та інші. Отримані результати оприлюднено в фахових публікаціях, дисертаціях та на науково-практичних конференціях.
Як розповіли науковці, основними компонентами МПЕ є біокатод та біоанод, розміщені в анодній та катодній камерах і поєднані зовнішнім електричним ланцюгом. Камери між собою розділені мембраною або сольовим містком. Мікроорганізми на біоаноді розкладають органічні речовини з вивільненням електронів і протонів. Електрони через зовнішній ланцюг, а протони через мембрану прямують до біокатода, де поєднуються з молекулами кисню та утворюють молекули води. Так відбувається біоелектрохімічна конверсія органічних сполук в електроенергію.
Дослідниця. Аспірантка Діна Колтишева зацікавилася МПЕ ще на бакалавраті, коли вивчала біокатоди в рамках навчального курсу та надихалася результатами старших колег. Вона, зокрема, досліджувала процеси очистки стічних вод з використанням активного мулу та вищих водних рослин, вивчала формування екзоелектрогенної біоплівки та процеси генерування струму і напруги в повних мікробних паливних елементах. "На сьогодні основними перешкодами впровадження МПЕ є необхідність застосовувати платину чи каталізатори, – говорить дослідниця. – Вони здорожують технологію та можуть спричинити вторинне забруднення довкілля".
Відповідно, вчені пропонують в катодній камері використовувати мікроводорості, які продукують кисень, а також захоплюють вуглекислий газ у процесі фотосинтезу. "Такі МПЕ називають повні, – веде далі науковиця, – оскільки як анодна, так і катодна камери містять біологічну компоненту. Тобто маємо біоанод з мікроорганізмами, які здатні здійснювати біоелектрохімічну конверсію органічних сполук з виділенням електронів на анод, і біокатод з мікроводоростями, які продукують кисень". Але кожна отримана відповідь породжує низку нових запитань. Приміром, як мікроводорості впливають на МПЕ, а струм і напруга – на мікроводорості. Що робити з приростом біомаси мікроводоростей, як впливає зміна освітлення на генерування електроенергії, настільки довго МПЕ з мікроводоростями здатні генерувати струм і напругу тощо.
"Саме нові й нові виклики, постійні пошуки попередніх результатів у літературі, планування й проведення експериментів захоплюють дослідницю в науковій роботі, – говорять колеги аспірантки. – Результатом її науково-дослідної діяльності за час аспірантури є публікація в науковому фаховому виданні та 2 публікації в періодичних наукових виданнях, проіндексованих у базі даних Scopus. Також вона бере участь у міжнародних та всеукраїнських науково-практичних конференціях. Понад те, отримані наукові результати впроваджено в навчальний процес. Зокрема лекції з МПЕ, прочитані нею для студентів спеціальності "Біотехнології та біоінженерія", зацікавили слухачів та заохотили дослідити ці питання детальніше".
Нині аспірантка продовжує сумлінно навчатися, працювати, переймати науковий і педагогічний досвід старших колег, вона безмежно вдячна наставникам за таку можливість. Цілком очевидно, що наукові розвідки мають втілитися в реальні результати. Цьому сприятиме і нещодавно призначена молодій дослідниці академічна стипендія КМ України – як визнання важливості й перспективності її роботи та стимул до подальшої праці.
На потім. Науковиця планує після завершення PhD і далі вивчати МПЕ, а ще – працювати зі студентами. Їй подобається щире зацікавлення молоді в новому та прагнення пізнавати досі не звідане. "Дослідження МПЕ є перспективними як у галузі біоенергетики, так і в екобіотехнології, а також потенційно можуть розширити знання з фундаментальних науках, зокрема в розумінні Quorum sensing (здатності мікроорганізмів до "спілкування" завдяки молекулярним сигналам). Вони дозволяють пізнати процеси, пов'язані з позаклітинним переносом електронів, розуміння впливу електричного струму на фотосинтез та багато іншого", – вважає молода вчена. Тож роботи попереду – за обрій. І хай там – аж ген-ген – на них очікує успіх і визнання.