Журнал «Потенциал»
номер 7 за июль 2016 года

Проект-победитель Intel-ISEF 2016 года – исследование на стыки биологии и инженерных разработок.

IntelISEF – крупнейший конкурс-смотр научных и научно-технических проектов для ребят, еще не начавших свое обучение в системе университетского образования. Победить в этом состязании и престижно, и выгодно. Судите сами – «топовые» награды измеряются десятками тысяч долларов США (конкурс является международным). Кто же удостоился чести выиграть Intel в этом году?

Самый большой приз – награду Гордона Мура (ее размер составил 75 тыс. долларов США) в этом году завоевала восемнадцатилетняя ученица школы Дэвида Томпсона из г. Ванкувера (Канада) Хан Джи (Остин) Ванг. Ее проект назывался: «Усиление биокаталитической активности микробных топливных элементов: новый подход к определению генов и разработке сообществ» (Boosting MFC Biocatalyst Performance: A Novel Gene Identification and Consortia Engineering Approach). Проект был посвящен проблеме повышения эффективности так называемых микробных топливных элементов. Микробный топливный элемент (МТЭ) – это биотехнологическое устройство, способное преобразовывать энергию химических связей органических веществ в электричество за счет активности микроорганизмов (см. схему МТЭ на рисунке). Теоретически МТЭ могут иметь высокие показатели эффективности, причем, в отличие от топливных элементов, работающих на водороде или метаноле, МТЭ могут использовать сточные воды городов и предприятий. Таким образом, данная технология весьма привлекательна с позиции производства электрической энергии и утилизации отходов жизнедеятельности. Так сказать, убивает двух зайцев одним выстрелом. Однако для эффективного внедрения в практику устройств на основе МТЭ необходимо решение вопросов снижения стоимости и повышения эффективности элементов. Именно эту проблему и решала ученица из Ванкувера. Посредством новых методов молекулярной биологии она анализировала гены, способные увеличить производительность бактерий кишечной палочки E. coli и подбирала сообщество из разных клонов этого вида, максимально эффективно решающее поставленные задачи. Далее выбранные микроорганизмы вместе с наночастицами материала-носителя были использованы для послойной сборки композитных материалов, обладающих свойствами проводников. В итоге общая технология повышения эффективности МТЭ, предложенная в данной работе, получила высокие оценки членов жюри и была удостоена приза. Ознакомиться с тезисами работы можно по ссылке https://apps2.societyforscience.org/AbstractSearch/Abstract/ViewAbstract?projectid=4366. Более подробно о молекулярных механизмах, лежащих в основе способности бактерий генерировать электрический ток, принципах работы МТЭ и особенностях создания композитных материалов на их основе читайте в одном из следующих выпусках журнала «Потенциал»!

Risunok2

Общие принципы устройства и работы МТЭ

  1. Бактерии на аноде обеспечивают разложение органических соединений и высвобождают протоны (Н+) и электроны
  2. Электроны перемещаются на анод
  3. Электроны перемещаются с анода на катод, движение электронов обеспечивает появление электрического тока
  4. Н+ мигрирует через полупроницаемую мембрану к катоду, процесс обеспечивается наличием электро-химического градиента вследствие более высокой концентрации протонов около анода
  5. Электроны, протоны и кислород, соединяясь, образуют воду.

 

Вот так выглядит лабораторный вариант элемента.

MFCfig1