Почвенные микробные топливные элементы (SMFC): новая конструкция может принести пользу окружающей среде и фермерам 

Почвенные микробные топливные элементы (SMFC) используют встречающиеся в почве бактерии для выработки электроэнергии. Как долгосрочный, децентрализованный источник возобновляемой энергии, SMFC могут быть постоянно развернуты для мониторинга различных условий окружающей среды в режиме реального времени, а также способствовать развитию точного земледелия и умных городов. Однако, несмотря на более чем столетнюю историю существования, практическое применение SMFC практически отсутствует из-за нестабильности выходной мощности. В настоящее время не существует SMFC, способных стабильно вырабатывать электроэнергию вне условий высокой влажности и заболоченности. В недавнем исследовании ученые создали и сравнили различные варианты конструкции и обнаружили, что вертикальная конструкция ячейки улучшает производительность и делает SMFC более устойчивыми к изменениям влажности почвы.

Микробные топливные элементы (МТЭ) — это биореакторы, которые производят электричество, преобразуя энергию химических связей органических соединений в электрическую энергию посредством биокатализа, осуществляемого микроорганизмами. Электроны, высвобождающиеся в анодном отсеке в результате бактериального окисления субстрата, переносятся на катод, где они соединяются с ионами кислорода и водорода.

Биохимические реакции в аэробных условиях, например, для ацетата в качестве субстрата: 

полуреакция окисления на аноде 

CH₃COO⁻ ⁺ 3H₂O → _CO₂ + ^{HCO₃⁻ +} _8H⁺ ⁺ 8e⁻_​​_​​

полуреакция восстановления на катоде 

2 О ₂ + 8 Ч ⁺ + 8 е ⁻ → 4 Ч ₂ О

В анаэробной среде МФЦ могут использовать биологические отходы в качестве субстрата для производства электроэнергии. 

Микробиологические топливные элементы (МТЭ) обладают потенциалом для решения экологических проблем, связанных с устойчивой энергетикой, глобальным потеплением и утилизацией биоотходов. Они имеют веские основания для применения в областях, где обычные химические батареи и солнечные панели не оправдывают ожиданий, например, в зеленых зонах, на лугах, водно-болотных угодьях или под землей. В таких местах солнечные панели не работают ночью и обычно покрываются грязью или растительностью, а компоненты химических батарей просачиваются в окружающую среду. Почвенные микробные топливные элементы (ПМТЭ) представляют собой устойчивый источник энергии в таких областях, как сельское хозяйство, луга, леса и пустоши, для питания энергосберегающих устройств.

Почвенные микробные топливные элементы (SMFC) используют встречающиеся в почве бактерии для выработки электроэнергии. В оптимальных условиях SMFC могут производить до 200 мкВт энергии при напряжении 731 мВ. Как долгосрочный децентрализованный источник возобновляемой энергии, SMFC могут быть постоянно развернуты для мониторинга различных условий окружающей среды в режиме реального времени и для руководства политикой. Они также могут способствовать развитию умных городов и фермерских хозяйств.

Однако, несмотря на то, что SMFC существуют уже более века, практическое применение SMFC на уровне земли было очень ограниченным. В настоящее время не существует SMFC, который мог бы постоянно генерировать электроэнергию за пределами водных условий с высокой влажностью. Непостоянство выходной мощности объясняется различиями в условиях окружающей среды, влажности почвы, типах почвы, населяющих почву микробах и т. д., но изменения влажности почвы оказывают максимальное влияние на постоянство выходной мощности. Клетки должны оставаться достаточно гидратированными и насыщенными кислородом для обеспечения постоянной выходной мощности, что может стать серьезной проблемой, если они похоронены под землей в сухой земле.   

Вертикальная конструкция ячейки повышает производительность и делает SMFC более устойчивыми к изменениям влажности почвы.  

Недавнее исследование (включающее двухлетний итеративный процесс проектирования с совокупными данными о развертывании SMFC за девять месяцев) систематически проверяло конструкции ячеек, чтобы прийти к общим рекомендациям по проектированию. Исследовательская группа создала и сравнила четыре различные версии, включая традиционную конструкцию, в которой катод и анод расположены параллельно друг другу. Вертикальная конструкция (версия 2: ориентация анода горизонтальная и ориентация катода перпендикулярная) топливного элемента оказалась наиболее эффективной. Он хорошо работал в диапазоне влажности: от затопления до несколько засушливых условий.  

В вертикальной конструкции анод (сделанный из углерода для захвата электронов, выделяемых бактериями) закапывается во влажную почву перпендикулярно поверхности земли, а катод (сделанный из инертного проводящего металла) располагается вертикально над анодом горизонтально на земле. уровень, при котором кислород легко доступен для завершения полуреакции восстановления.  

Выходная мощность для проектирования была значительно выше на протяжении всего времени, когда ячейка была затоплена водой. Он хорошо работал от полностью подводного состояния до несколько сухого (41% воды по объему), однако для сохранения активности ему по-прежнему требовалось высокое объемное содержание воды (VWC) 41%.  

В этом исследовании рассматривается вопрос, касающийся конструктивного аспекта SMFC, направленного на улучшение консистенции и устойчивости к изменениям влажности. Поскольку авторы опубликовали все проекты, учебные пособия и инструменты моделирования, которые можно использовать и развивать, мы надеемся, что в ближайшем будущем это должно найти более широкое применение в различных областях, таких как точное земледелие.  

Ссылки:  

1. Вишванатан А.С., 2021. Микробные топливные элементы: подробный обзор для новичков. 3 Биотехнологии. 2021 май; 11(5): 248. Опубликовано в Интернете 01 мая 2021 г. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Тен Б., и др. 2024. Почвенные вычисления: Руководство инженера по практическому проектированию почвенных микробных топливных элементов. Опубликовано: 12 января 2024 г. Труды ACM по интерактивным, мобильным, носимым и повсеместным технологиям. Том 7, выпуск 4, статья №: 196, стр. 1–40. ДОИ: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Северо-Западный университет. Новости-Топливный элемент, работающий на грязи, работает вечно. Опубликовано 12 января 2024 г. Доступно по адресу: https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/