Генерирование электричества в БТЭ биопрепаратом 'Доктор Робик' при очистке азотсодержащих сточных вод
Институты и факультеты
Главная \ Наука \ Научные издания КФУ \ Ученые записки Казанского университета \ Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки \ Архив

Генерирование электричества в БТЭ биопрепаратом "Доктор Робик" при очистке азотсодержащих сточных вод

Г.О. Жданова1, Д.И. Стом1,2,3, Н.Ю. Юдина4, С.В. Алферов4, З.У. Джангидзе5, А.Д. Стом1, М.Ю. Толстой2, И.А. Богданова1, А.Н. Чеснокова2

1Иркутский государственный университет, г. Иркутск, 664003, Россия

2Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, 664074, Россия

3Байкальский музей СО РАН, п. Листвянка, Иркутская обл., 664520, Россия

4Тульский государственный университет, г. Тула, 300012, Россия

5Московский государственный строительный университет, г. Москва, 129337, Россия

 

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

Полный текст PDF

DOI: 10.26907/2542-064X.2022.2.279-296

Для цитирования: Жданова Г.О.,  Стом Д.И.,  Юдина Н.Ю.,  Алферов С.В.,  Джангидзе З.У., Стом А.Д., Толстой М.Ю., Богданова И.А., Чеснокова А.Н. Генерирование электричества в БТЭ биопрепаратом «Доктор Робик» при очистке азотсодержащих сточных вод // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2022. – Т. 164, кн. 2. – С. 279–296. – doi: 10.26907/2542-064X.2022.2.279-296.

For citation: Zhdanova G.O., Stom D.I., Yudina N.Yu., Alferov S.V., Dzhangidze Z.U., Stom A.D., Tolstoy M.Yu., Bogdanova I.A., Chesnokova A.N. Generation of electricity in BFC by the biological product “Doctor Robik” during the purification of nitrogen-containing wastewater. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2022, vol. 164, no. 2, pp. 279–296. doi: 10.26907/2542-064X.2022.2.279-296. (In Russian)

Аннотация

В работе оценена способность коммерческого биопрепарата для выгребных ям и септиков «Доктор Робик 109» (OOO «ВИПЭКО», г. Москва) генерировать электрический ток в биотопливных элементах (БТЭ) при утилизации некоторых азотсодержащих компонентов канализационных сточных вод: мочевины, аммонийного азота, пептона. Генерирование тока микроорганизмами препарата в БТЭ сопровождалось ростом численности клеток, убылью испытуемых субстратов и изменением окислительно-восстановитель­ного потенциала анолита. Например, в БТЭ, содержащем модельную сточную воду с добавлением 0.5 г/л мочевины, препарат «Доктор Робик 109» генерировал напряжение разомкнутой цепи до 332 мВ (за 5 сут), в БТЭ с 0.5 г/л NH4+ – до 483 мВ (за 1 сут), с пептоном (0.5 г/л) – до 520 мВ (за 10 сут). Сила тока (измерена в режиме короткого замыкания) в БТЭ с мочевиной достигала 519 мкА, а в БТЭ с пептоном была более чем в 2 раза выше (до 1248 мкА). На основе полученных данных, с учетом широкой субстратной специфичности микроорганизмов препарата, его низкой стоимости и удобства применения даны рекомендации по применению этого биопрепарата в биотехнологиях утилизации отходов, очистки сточных вод различных типов (коммунальных, животноводства, пищевой промышленности и пр.), в том числе в БТЭ с одновременным получением электрического тока.

Ключевые слова: биотопливные элементы, генерирование электрического тока, микроорганизмы-биоагенты, биопрепараты, «Доктор Робик», азотсодержащие сточные воды, очистка сточных вод

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания в области научной деятельности (проект № FEWG-2021-0013).

Литература

  1. Konovalova E.Yu., Stom D.I., Zhdanova G.O., Yuriev D.A., Li Y., Barbora L., Goswami P. The microorganisms used for working in microbial fuel cells // AIP Conf. Proc. – 2018. – V. 1952. – Art. 020017, P. 1–10. – doi: 10.1063/1.5031979.
  2. Badea S.L., Enache S., Tamaian R., Niculescu V.-C., Varlam M., Pirvu C.-V. Enhanced open-circuit voltage and power for two types of microbial fuel cells in batch experiments using Saccharomyces cerevisiae as biocatalyst // J. Appl. Electrochem. – 2019. – V. 49, No 1. – Р. 17–26. – doi: 10.1007/s10800-018-1254-7.
  3. Dai H.N., Nguyen T.-A. D., My LE L.-Ph., Tran M.V., Lan T.-H., Wang Ch.-T. Power generation of Shewanella oneidensis MR-1 microbial fuel cells in bamboo fermentation effluent // Int. J. Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46, No 31. – P. 16612–16621. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.09.264.
  4. Choudhury P., Uday U.Sh.P., Bandyopadhyay T.K., Ray R.N., Bhunia B. Performance improvement of microbial fuel cell (MFC) using suitable electrode and Bioengineered organisms: A review // Bioengineered. – 2017. – V. 8, No 5. – P. 471–487. – doi: 10.1080/21655979.2016.1267883.
  5. Ren J., Li N., Du M., Zhang Y., Hao Ch., Hu R. Study on the effect of synergy effect between the mixed cultures on the power generation of microbial fuel cells // Bioengineered. – 2021. – V. 12, No 1. – Р. 844–854. – doi: 10.1080/21655979.2021.1883280.
  6. Jadhav D.A., Ghangrekar M.M. Optimising the proportion of pure and mixed culture in inoculum to enhance the performance of microbial fuel cells // Int. J. Environ. Technol. Manage. – 2020. – V. 23, No 1. – Р. 50–67. – doi: 10.1504/IJETM.2020.110159.
  7. Lai M.-F., Lou Ch.-W., Lin J.-H. 3D composite electrodes of microbial fuel cells used in livestock wastewater: Evaluations of coating and performance // Int. J. Hydrogen Energy. – 2017. – V. 42, No 45. – P. 27666–27676. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.07.021.
  8. Xin Sh., Shen J., Liu G., Chen Q., Xiao Zh., Zhang G., Xin Y. High electricity generation and COD removal from cattle wastewater in microbial fuel cells with 3D air cathode employed non-precious Cu2O/reduced graphene oxide as cathode catalyst // Energy. – 2020. – V. 196. – Art. 117123, P. 1–10. – doi: 10.1016/j.energy.2020.117123.
  9. Sreelekshmy B.R., Basheer R., Sivaraman S., Vasudevan V., Elias L., Shibli S. M. A. Sustainable electric power generation from live anaerobic digestion of sugar industry effluents using microbial fuel cells // J. Mater. Chem. A. – 2020. – V. 8, No 12. – Р. 6041–6056. – doi: 10.1039/D0TA00459F.
  10. Tessema T.D., Yemata T.A. Experimental dataset on the effect of electron acceptors in energy generation from brewery wastewater via a microbial fuel cell // Data Brief. – 2021. – V. 37. – Art. 107272, P. 1–10. – doi: 10.1016/j.dib.2021.107272.
  11. Pugazhendi A., Al‐Mutairi A.E., Jamal M.T., Jeyakumar R.B., Palanisamy K. Treatment of seafood industrial wastewater coupled with electricity production using air cathode microbial fuel cell under saline condition // Int. J. Energy Res. – 2020. – V. 44, No 15. – Р. 12535–12545. – doi: 10.1002/er.5774.
  12. Elakkiya E., Niju S. Bioelectrochemical treatment of real-field bagasse-based paper mill wastewater in dual-chambered microbial fuel cell // 3 Biotech. – 2021. – V. 11, No 2. – Art. 42, P. 1–10. – doi: 10.1007/s13205-020-02606-6.
  13. Narayan M., Solanki P., Rabha A.K., Srivastava R.K. Treatment of pulp and paper industry effluent and electricity generation by constructed wetland coupled with microbial fuel cell (CW-MFC) // J. Pharmacogn. Phytochem. – 2018. – V. 7, No 6. – Р. 493–498.
  14. Sarmin S., Ideris A.B., Ethiraj B., Islam M.A., Yee Ch.S., Khan Md.M.R. Potentiality of petrochemical wastewater as substrate in microbial fuel cell // IOP Conf. Ser.:         Mater. Sci. Eng. – 2020. – V. 736, No 3. – Art. 032015, P. 1–10. – doi: 10.1088/1757-899X/736/3/032015.
  15. Sarmin S., Ethiraj B., Islam M.A., Ideris A., Yee Ch.S., Khan Md.M.R. Bio-electrochemical power generation in petrochemical wastewater fed microbial fuel cell // Sci. Total Environ. – 2019. – V. 695. – Art. 133820, P. 1–11. – doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.133820.
  16. Ilamathi R., Jayapriya J. Microbial fuel cells for dye decolorization // Environ. Chem. Lett. – 2018. – V. 16, No 1. – Р. 239–250. – doi: 10.1007/s10311-017-0669-4.
  17. Miran W., Jang J., Nawaz M., Shahzad A., Lee D.S. Sulfate-reducing mixed communities with the ability to generate bioelectricity and degrade textile diazo dye in microbial fuel cells // J. Hazard. Mater. – 2018. – V. 352. – P. 70–79. – doi: 10.1016/j.jhazmat.2018.03.027.
  18. Feng C., Tsai Ch.-Ch., Ma Ch.-Y., Yu Ch.-P., Hou Ch.-H. Integrating cost-effective microbial fuel cells and energy-efficient capacitive deionization for advanced domestic wastewater treatment // Chem. Eng. J. – 2017. – V. 330. – P. 1–10. – doi: 10.1016/j.cej.2017.07.122.
  19. Stager J.L., Zhang X., Logan B.E. Addition of acetate improves stability of power generation using microbial fuel cells treating domestic wastewater // Bioelectrochemistry. – 2017. – V. 118. – P. 154–160. – doi: 10.1016/j.bioelechem.2017.08.002.
  20. Kuznetsov A.V., Khorina N.N., Konovalova E.Yu., Amsheev D.Yu., Ponamoreva O.N., Stom D.I. Bioelectrochemical processes of oxidation of dicarboxylic amino acids by strain Micrococcus luteus 1-I in a biofuel cell // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. – 2021. – V. 808. – Art. 012038, P. 1–7. – doi: 10.1088/1755-1315/808/1/012038.
  21. Goenka R., Mukherji S., Ghosh P.C. Characterization of electrochemical behaviour of Escherichia coli MTCC 1610 in a microbial fuel cell // Bioresour. Technol. Rep. – 2018. – V. 3. – P. 67–74. – doi: 10.1016/j.biteb.2018.06.002.
  22. García-Mayagoitia S., Fernández-Luqueño F., Morales-Acosta D., Carrillo-Rodríguez J.C., García-Lobato M.A., de la Torre-Saenz L., Alonso-Lemus I.L., Rodrı́guez-Varela F.J. Energy generation from pharmaceutical residual water in microbial fuel cells using ordered mesoporous carbon and Bacillus subtilis as bioanode // ACS Sustainable Chem. Eng. – 2019. – V. 7, No 14. – Р. 12179–12187. – doi: 10.1021/acssuschemeng.9b01281.
  23. Cheng P., Shan R., Yuan H.-R., Shen W., Chen Y. Bioelectricity generation from the salinomycin-simulated livestock sewage in a Rhodococcus pyridinivorans inoculated microbial fuel cell // Process Saf. Environ. Prot. – 2020. – V. 138. – P. 76–79. – doi: 10.1016/j.psep.2020.03.003.
  24. Cao Y., Mu H., Liu W., Zhang R., Guo J., Xian M., Liu H. Electricigens in the anode of microbial fuel cells: Pure cultures versus mixed communities // Microb. Cell Fact. – 2019. – V. 18. – Art. 39, P. 1–14. – doi: 10.1186/s12934-019-1087-z.
  25. Islam M.A., Ong H.R., Ethiraj B., Cheng Ch.K., Khan M.M.R. Optimization of co-culture inoculated microbial fuel cell performance using response surface methodology // J. Environ. Manage. – 2018. – V. 225. – Р. 242–251. – doi: 10.1016/j.jenvman.2018.08.002.  
  26. Islam M.A., Ethiraj B., Cheng Ch. K., Yousuf A., Khan Md.M.R. An insight of synergy between Pseudomonas aeruginosa and Klebsiella variicola in a microbial fuel cell // ACS Sustainable Chem. Eng. – 2018. – V. 6, No 3. – Р. 4130–4137. – doi: 10.1021/acssuschemeng.7b04556.
  27. Wang C.-T., Sangeetha T., Zhao F., Garg A., Chang C.-T., Wang C.-H. Sludge selection on the performance of sediment microbial fuel cells // Int. J. Energy Res. – 2018. – V. 42. – Р. 4250–4255. – doi: 10.1002/er.4168.
  28. He J., Xin X., Pei Zh., Chen L., Chu Zh., Zhao M., Wu X., Li B., Tang X., Xiao X. Microbial profiles associated improving bioelectricity generation from sludge fermentation liquid via microbial fuel cells with adding fruit waste extracts // Bioresour. Technol. – 2021. – V. 337. – Art. 125452, P. 1–9. – doi: 10.1016/j.biortech.2021.125452.
  29. Almatouq A., Babatunde A.O., Khajah M., Webster G., Alfodari M. Microbial community structure of anode electrodes in microbial fuel cells and microbial electrolysis cells // J. Water Process Eng. – 2020. – V. 34. – Art. 101140, P. 1–10. – doi: 10.1016/j.jwpe.2020.101140.
  30. Heber A.J., Ni J., Sutton A.L., Patterson J.A., Fakhoury K.J., Kelly D.T., Shao P. Laboratory testing of commercial manure additives for swine odor control (Final Report). – Ames, IA: USDA-ARS-Natl. Swine Res. Inf. Cent., 2001. – 198 p.
  31. Ignatavičius G., Oškinis V. Investigation of black oil and diesel biodegradation in water // Ekologija. – 2007. – V. 53, No 4. – P. 90–94.
  32. Skaisgiriene A., Vaitiekūnas P., Zabukas V. Influence of chlorides and sulphates on quality of biological wastewater treatment using enzyme preparations // J. Environ. Eng. Landscape Manage. – 2004. – V. 12, No 3. – P. 91–95. – doi: 10.1080/16486897.2004.9636825.
  33. Stom D.I., Zhdanova G.O., Kashevskii A.V. New designs of biofuel cells and testing of their work // IOP Conf. Ser: Mater. Sci. Eng. – 2017. – V. 262. – Art. 012219, P. 1–6. – doi: 10.1088/1757-899X/262/1/012219.
  34. ГОСТ 32509-2013. Вещества поверхностно-активные. Метод определения биоразлагаемости в водной среде.  – М.: Стандартинформ, 2019. – 26 с.
  35. Grigorova R., Norris J.R. (Eds.) Methods in Microbiology. V. 22: Techniques in microbial ecology. – Acad. Press, 1990. – 627 р.
  36. Басова Е.М., Буланова М.А., Иванов В.М. Фотометрическое определение мочевины в природных водах // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. – 2011. – Т. 52, № 6. – С. 419–425.
  37. Hoseney R.C., Finney K.F. Spectrophotometric determination of urea, thiourea, and certain of their substitution products with p-dimethylaminobenzaldehyde and diacetylmonoxime // Anal. Chem. – 1964. – V. 36, No 11. – Р. 2145–2148. – doi: 10.1021/ac60217a034.
  38. РД 52.24.486-2009. Массовая концентрация аммиака и ионов аммония в водах. Методика выполнения измерений фотометрическим методом с реактивом Несслера.  – Ростов на/Д., 2009. – 21 с.
  39. Нетрусов А.И., Егорова М.А., Захарчук Л.М. Практикум по микробиологии / Под ред. А.И. Нетрусова. –  М.: Академия, 2005. – 608 с.
  40. Беленькая С.Л., Попова Ю.И., Калитвянская В.И. Определение ХПК в сточных водах. – URL: http://www.sergey-osetrov.narod.ru/Documents/How_to_define_chemical_ absorption_of_oxygen_in_sewage.htm, свободный.
  41. Holmes D.E., Dang Y., Smith J.A. Chapter Four – Nitrogen cycling during wastewater treatment // Advances in Applied Microbiology V. 106 / Ed. by G.M. Gadd, S. Sariaslani. – Acad. Press, 2019. – P. 113–192. – doi: 10.1016/bs.aambs.2018.10.003.
  42. Коркина О.С., Сарапулова Г.И., Жданова Г.О., Горбунова Ю.О., Иванчиков Е.А., Стом Д.И., Бешков В.Н. Микробиологический препарат «Доктор Робик 109» как биоагент для получения электрического тока в МТЭ при добавлении жиров // Изв. Иркут. гос. ун-та. Сер. Биология. Экология. – 2019. – Т. 28. – С. 17–25. – doi: 10.26516/2073-3372.2019.28.17.
  43. Стом Д.И., Жданова Г.О., Алферов С.В., Юдина Н.Ю., Чеснокова А.Н., Толстой М.Ю., Купчинский А.Б., Саксонов М.Н., Энхдул T., Францетти А., Рахимнеджад М. Комплексный биопрепарат «Доктор Робик» как биоагент для утилизации фитомассы водных растений в биотопливных элементах // Изв. вузов. Прикл. химия и биотехнология. – 2022. – Т. 22, № 1. – С. 50–63 – doi: 10.21285/2227-2925-2022-12-1-50-63.
  44. Rudenko R.R., Vasilevich E.E., Zhdanova G.O., Chizhick K.I., Topchiy I.A., Stom D.I. The use of urban sewage sludge as a substrate in a microbial fuel cell // Int. J. Eng. Technol. – 2018. – V. 7, No 2.23. – P. 277–280. – doi: 10.14419/ijet.v7i2.23.11931.

Поступила в редакцию

22.02.2022

 

Жданова Галина Олеговна, научный сотрудник

Иркутский государственный университет

ул. Карла Маркса, д. 1, г. Иркутск, 664003, Россия

E-mail: zhdanova86@ya.ru

 

Стом Дэвард Иосифович, доктор биологических наук, профессор кафедры зоологии позвоночных и экологии; преподаватель кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения; главный научный сотрудник

Иркутский государственный университет

ул. Карла Маркса, д. 1, г. Иркутск, 664003, Россия

Иркутский национальный исследовательский технический университет

ул. Лермонтова, д. 83, г. Иркутск, 664003, Россия

Байкальский музей СО РАН

ул. Академическая, д. 1, п. Листвянка, Иркутская обл., 664520, Россия

E-mail: stomd@mail.ru

 

Юдина Наталья Юрьевна, кандидат химических наук, старший научный сотрудник

Тульский государственный университет

пр-т Ленина, д. 92, г. Тула, 300012, Россия

E-mail: tysia21-05-90@mail.ru

 

Алферов Сергей Валерьевич, кандидат химических наук, заведующий лабораторией

Тульский государственный университет

пр-т Ленина, д. 92, г. Тула, 300012, Россия

E-mail: chem@tsu.tula.ru

 

Джангидзе Заза Ушангович, кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения и водоотведения

Московский государственный строительный университет

Ярославское шоссе, д. 26, г. Москва, 129337, Россия

E-mail: d_zaza@mail.ru

 

Стом Алина Дэвардовна, кандидат биологических наук, ведущий инженер

Иркутский государственный университет

ул. Карла Маркса, д. 1, г. Иркутск, 664003, Россия

E-mail: apatania@yandex.ru

 

Толстой Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрой инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, директор инновационного центра «Энергоэффективность», научный руководитель лаборатории качества воды

Иркутский национальный исследовательский технический университет

ул. Лермонтова, д. 83, г. Иркутск, 664003, Россия

E-mail: tolstoi@istu.edu

 

Богданова Ирина Анатольевна, старший преподаватель кафедры геологии нефти и газа

Иркутский государственный университет

ул. Карла Маркса, д. 1, г. Иркутск, 664003, Россия

E-mail: irinairk@gmail.com

 

Чеснокова Александра Николаевна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии

Иркутский национальный исследовательский технический университет

ул. Лермонтова, д. 83, г. Иркутск, 664003, Россия

E-mail: chesnokova@istu.edu

 

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

 


Версия для печати Версия для печати
Ключевые слова: Жданова, Ученые записки
Вход в личный кабинет
Ваш логин
Ваш пароль
Забыли пароль? Регистрация