Микробная конверсия целлюлозосодержащих отходов в электроэнергию с помощью гидрогеназного электрода, интегрированного в среду ферментации

• Автор: Абрамов, Сергей Маркович
• Шифр специальности: 03.02.03, 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

1. Обзор литературы.

1.1. Образование водорода микроорганизмами в природе. 8 .

1.2. Целлюлоза и целлюлозолитические микроорганизмы

1.2.1. Разложение целлюлозы в природе.

1.2.2. Целлюлозолитические ферментные системы.

1.2.3. Регуляция синтеза целлюлазных комплексов.

1.3. Получение водорода из различных видов целлюлозосодсржатего сырья

1.4. Предобработка целлюлозосодержащего сырья

1.5. Микроорганизмы применяемые для получения водорода.

1.6. Конверсия .микробного водорода в электроэнергию.

1.6.1. Топливные элементы.

1.6.2. Биологические топливные элементы.
1.7. Заключение
2. Материалы и методы
2.1. Объекты исследования
2.1.1. Отбор образцов.
2.1.2. Культивирование микроорганизмов
2.2. Выделение чистых культур микроорганизмов
2.2.1. Культивирование на чашках Петри
2.2.2. Культивирование в трубках Ьурри
2.3. Изучение .морфологии клеток.
2.4. Изучение состава сообществ методом денаэурирующего градиентного гельэлектрофореза ДГГЭ.
2.5. Аналитические методы
2.6. Предобработка фильтровальной бумаги.
2.7. Определение гидрогеназной активности по выделению водорода в бесклсточных эксгракгах
2.8. Подготовка водородного и кислородного электродов для работы в среде ферментации
2.8.1. Кислородный электрод
2.8.2. Водородный электрод
2.9. Электрохимические измерения.
2 Статистическая обработка данных
3. Результаты
3.1. Поиск и выделение термофильных мнкроорпшнзмовпродуцентов водорода, способных эффективно разлагать целлюлозосодержащее органическое сырье в анаэробных условиях.
3.2. Изучение морфологии выделенных сообществ
3.3. Исследование состава отобранных сообществ с помощью метода
3.4. Выделение чистых культур водородобрлзующнх
микроорганизмов
3.5. Определение гидрогеназной активности в бесклсточном экстракте ЧК1
3.6. Оценка скорости разложения целлюлозы и выделения водорода
3.7. Предобработка целлюлозы.
3.8. Изучение роста и образования водорода выделенными сообществами при использовании различных целлюлозосодержащих отходов
3.9. Культивирование отобранных микроорганизмов в режиме
ста тирования
3 Изучение операционной стабильности ферментного электрода в модельных условиях.
3 Исследование операционной стабильности ферментного электрода
в среде культивирования микроорганизмов
3 Разработка бнорсакгорной топливной ячейки для процесса конверсии микробного водорода в электроэнергию
3 Испытание прототипа проточной
системы.
4. Обсуждение результатов
5. Выводы
6. Список литературы
Введение


I , Vi , сульфатредуцирующих бактерий и спирохет свободная энергия Гиббса ,1 КДжмоль, для реакции конверсии пирувата в ацетат . В большинстве случаев обратимое декарбоксилирование пирувата и образование водорода катализируется пируватферредоксиноксидоредуктазой. Этот фермент найден у представителей рода ii и других анаэробов. АцетштКоА, который образуется в результате этой реакции, может быть трансформирован в ацетилфосфат, который в свою очередь используется многими анаэробными микроорганизмами для. АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования . Окисление восстановленного Фд сопряжено с восстановлением протона. Поэтому сбраживание пирувата ведет к выделению большого количества водорода . В этих реакциях, выделение водорода сопряжено с рециклингом Фд и КоА, которые способны вновь участвовать в процессе окисления пирувата, сопровождаемом синтезом АТФ , . Кроме бактерий, похожие пути окисления пирувата происходит в гидрогеносомах простейших, в специализированных органелах гидрогеносомах Раздольская и др. Окисление органического субстрата и образование водорода с участием НАДИ происходит у различных видов ii С. С. ii, С. С. i, С. Образование водорода из НАДЫ у ii . ИАДНферредоксиноксидоредуктазой. При этом также происходит рециклинг переносчика электронов и синтезируется АТФ. Члены семейства i и некоторые другие факультативные анаэробы образуют водород из формиата. Облигатные анаэробы также включают ряд видов, использующих в качестве субстрата формиат и выделяющих водород. Такие микроорганизмы найдены среди метаногенных архей и сульфагредуцирующих бактерий. Формиат может образовываться из формилтетрагидрофолата. Но в большинстве случаев формиат образуется из пирувата при помощи пируватформиатлиазы . Формиат может быть синтезирован или потреблн с образованием водорода . Баграмян и Трчунян, . Энергетически, образование водорода с помощью формиатводородлиазы сравнимо с Фдзависимым образованием водорода . Сульфатредуцирующие бактерии и некоторые другие микроорганизмы также известны как продуценты водорода. Образование водорода этими микроорганизмами катализируется гидрогеназами V, V i, . У аэробных бактерий, в отличие от анаэробных, этот процесс обычно катализируется нитрогеназами. Эти ферменты участвуют в фиксации азота , . Факультативная анаэробная бактерия i i способна выделять водород при участии сразу двух ферментов нитрогеназы и гидрогеназы. Участие обоих ферментов в образовании . Вероятно, эта способность свойственна и другим микроорганизмам i . Большое значение для процесса образования водорода имеет источник углерода. К примеру, Vi выделяет водород при росте на средах с лактатом или гипоксантином, в то время как при росте на среде с сукцинатом водород не выделяется iv v, . Образование молекулярного водорода клетками . Кроме того, увеличение содержания водорода наблюдается при низком значении среды . При дефиците железа в среде культивирования, образование водорода у различных микроорганизмов наоборот прекращается, поскольку железо входит в состав активного центра гидрогеназ V i, . Высокое парциальное давление водорода может приводить к остановке процесса его выделения. В результате этого накапливаются восстановленные оргашгческие продукты ii . Этот эффект особенно часто наблюдается, когда образование водорода связано с окислением НАДН. Как уже отмечалось выше, окислителыювостановитсльный потенциал пары НАДННАД Ео 0 мВ. Он более положителен, чем у пары ИгГТ Ео 4 мВ. По этой причине окисление НАДН до НАД4 и Нг возможно только при очень низком парциальном давлении молекулярного водорода около 1, атм 6 моль И2. В природе низкое парциальное давление водорода обеспечивается взаимодействием водородобразующих и водородпотребляющих бактерий. Это так называемое синтрофное взаимодействие. Термин сиптрофизм относится к таким вариантам кооперации, при которых оба партнра полностью зависят друг от друга в своей жизнедеятельности и эта взаимозависимость не может быть преодолена просто добавлением в среду косубстрата или какоголибо другого питательного вещества.