Зависимость электроактивности бактерий рода Shewanella от рН среды культивирования

Цель

Исследование зависимости электроактивности бактерий рода Shewanella от рН-среды культивирования.

Описание

В наше время всё большую актуальность приобретают вопросы поиска альтернативных источников энергии и утилизации отходов производства и органических соединений. Одним из источников альтернативной энергетики могут стать бактерии рода Shewanella. Этот стойкий микроорганизм, открытый всего 15 лет назад, способен выжить даже в неимоверно грязных сточных водах, разлагая растворённые в них токсичные соединения металлов, при этом в качестве одного из «побочных продуктов жизнедеятельности» выделяется электричество.

Они примечательны тем, что способны давать ток, поедая и убирая долго разлагающиеся органические соединения, и не только. Бактерии Shewanella способны очищать водоёмы от соединений урана и хрома, а также защищать металлы от коррозии.

Однако бактерии эти очень прихотливы и не в каждой среде культивирования будут проявлять одинаковую электроактивность. Именно поэтому необходимо выяснить зависимость электроактивности бактерий Shewanella от pH-среды культивирования.

Гипотеза: так как пониженная рН-среда увеличивает проводимость, а для бактерий рода Shewanella есть оптимальное условие по рН, то необходимо найти такие условия, при которых эти бактерии будут полноценно развиваться, и при этом будет хорошая проводимость (условия, при которых КПД топливного элемента будет максимальным).

Задачи:

1. Культивировать бактерии рода Shewanella.

2. Создать среды жизни с различным рН с помощью молочной кислоты.

3. Создать микробные топливные элементы с разным значением рН и поставить с ними серию экспериментов по определению силы тока и разности потенциалов.

4. Подобрать оптимальные условия электроактивности бактерий.

В первой части работы автор изучил перспективы использования бактерии рода Shewanella в очистке сточных вод и в качестве антикоррозионных покрытий, а также возможности их использования в качестве источника альтернативной энергии; изучил принципы работы микробиологических топливных элементов (МТЭЛов). Во второй части работы автор поставил серию экспериментов по культивированию бактерий рода Shewanella в условиях школьной лаборатории и исследованию зависимости их электроактивности от рН-среды культивирования.

Для приготовления 200 мл среды LB (Lysogeny broth) в колбу было добавлено: NaCl – 2 г, триптон – 2 г, дрожжевой экстракт – 1 г. Объём доведён дистиллятом до 200 мл. Среда LB имеет рН в диапазоне от 7,2 до 7,4. Для проведения измерений при необходимых рН среда разбавлялась 40-процентным раствором молочной кислоты. В колбе со средой располагали датчик рН. Затем по каплям добавлялся раствор молочной кислоты. Таким образом, были получены среды с показателями рН, равными 5,0, 6,0 и 7,0. Колбы со средой укупоривались ватно-марлевыми пробками и автоклавировались при избыточном давлении (0,8 атм) на протяжении 40 минут. В опытах использовался МТЭЛ (микробиологический топливный элемент). Бактерии располагаются в анаэробной анодной камере, закрытой гидрозатвором. Катодная камера аэробна и заткнута ватно-марлевой пробкой, пропускающей воздух. К каждой камере подходят электроды, выходящие контактами наружу. Сами камеры отделены друг от друга ионоселективной мембраной, пропускающей протоны водорода по градиенту концентрации. МТЭЛ с заселёнными бактериями сутки инкубировался при комнатной температуре. В процессе своего развития Shewanella первоначально использует кислород для дыхания. После того как кислород в камере заканчивался, бактерии переходили в анаэробную стадию, демонстрируя электрогенные свойства. Спустя сутки проводились измерения потенциала, генерируемого МТЭЛ, с помощью потенциостата в течение 240 c. «плюс» прибора подключался к катодной камере, «минус» – к анодной. Прибор фиксировал разность потенциалов. На основе данных построен график.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• МТЭЛ и культура бактерий
• потенциостат
• аналитические весы
• микробиологические петли
• реактивы и лабораторное оборудование школьной конвергентной Курчатовской лаборатории.

Результаты

1. При измерении разности потенциалов, генерируемой микробиологическим топливным элементом среды с показателем pН 7,0, потенциал быстро стабилизируется на низких значениях.

2. Среда с показателем pН 6,0 при аналогичных измерениях демонстрирует лучшие результаты (13600 mВ).

3. При сильном понижении pН среды (до 5,0) наблюдается снижение жизнеспособности бактерий.

4. Из исследованных значений кислотности среды оптимальным в плане биотехнологического использования является рН 6.

Перспективы использования результатов работы

Необходимо продолжать исследовать зависимость электроактивности бактерий от pН с меньшим шагом её изменения, чтобы найти наиболее оптимальный показатель pН для этих бактерий, а в промышленных масштабах − совершенствовать конструкцию МЭТЛов, поскольку их можно было бы применять не только в качестве альтернативного источника энергии и очистки промышленных вод, но и в медицине − в кардиостимуляторах и других приборах с низким током.

Сотрудничество с вузом при создании работы

Московский физико-технический институт (МФТИ).

Награды/достижения

1. Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ, межрайонный этап – победитель.
2. Городская конференция исследовательских проектов школьников в рамках Курчатовского проекта «Ты – человек! И ты за всё в ответе!» – победитель.
3. XXVII Открытая московская естественно-научная конференция школьников «ПОТЕНЦИАЛ» – диплом 3 степени.
4. Городской конкурс «Инженерный старт» – участник очного тура.
5. Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – участник очного тура.

Особое мнение

«Было очень интересно работать с представителями вуза, использовать возможности как школьной лаборатории, так и лаборатории МФТИ, делать научную работу, хотя и небольшую. Очень надеюсь продолжить заниматься наукой в дальнейшем. Проект «Медицинский класс в московской школе» дает больше возможностей поступления в медвузы: углублённая предметная подготовка, интересные мероприятия, практика в медучреждениях района, предпрофессиональный экзамен и др. На конференции каждый год представлено много интересных работ. Был хороший опыт представления своей работы и отстаивания своих позиций, а также было очень познавательно посетить мастер-классы и музей Сеченовского университета»