История микробных топливных элементов восходит к началу 20 века, когда ученые соединили бактериальные клетки с электродами для выработки электричества. Принцип заключается в том, что при отсутствии кислорода метаболизм бактерий изменяется и вырабатывает протоны и электроны вместо углекислого газа и воды. Эти электроны можно использовать для генерации тока в электрохимической ячейке.
Такие микробные топливные элементы в настоящее время интенсивно исследуются на предмет устойчивого производства энергии и, особенно, очистки сточных вод. Их слабое место — удельная мощность. Большая часть электрохимического потенциала бактерий тратится зря, потому что они не переносят произведенные электроны легко на электрод. Чтобы сделать их более проводящими, Цичун Чжан из Технологического университета Наньян, Сингапур, и его коллеги исследовали идею обертывания бактерий оболочкой из электронопроводящих полимеров.
Проблема в том, что покрытые оболочкой бактерии должны оставаться жизнеспособными.Ученые сделали ставку на полимерный полипиррол. «Ожидается, что модификация бактериальных клеток полипирролом улучшит электрическую проводимость бактериальных клеток без снижения их жизнеспособности», — пояснили авторы.
Ионы железа использовались в качестве «инициатора окисления для полимеризации мономеров пиррола на поверхности [бактерии]». Выбранным организмом была протеобактерия Shewanella oneidensis, которая известна своей толерантностью к металлам и ведет как аэробный, так и анаэробный образ жизни.
Все еще живые и активные бактерии с покрытием были протестированы на образование биотока с помощью угольного анода. По сравнению со своими немодифицированными аналогами они действительно показали в 23 раза меньшее сопротивление (что означает повышенную проводимость), пятикратное увеличение выработки электроэнергии и в 14 раз большую максимальную удельную мощность анода в микробном топливном элементе. И если бактерии кормили лактатом, авторы наблюдали выраженное течение, чего не было при использовании бактерий без оболочки.Подход Чжана — замечательное решение проблемы проводимости микробного анода.
Авторы считают, что эта схема покрытия живых бактерий может добавить новое измерение в исследования микробных топливных элементов, а также в общие исследования функционализации клеточной поверхности.