Мікробні паливні елементи
Мікробні паливні елементи (МПЕ) — біоелектрохімічні системи, які використовують живі мікроорганізми, зазвичай бактерії або археї, для каталізу окиснення органічних речовин і виробництва електроенергії. Ці пристрої поєднують біологічні процеси з електрохімічними реакціями з метою генерації електричної енергії. Одним із ключових компонентів МПЕ є біоанод, де мікроорганізми окислюють органічні сполуки, такі як глюкоза чи органічні кислоти, і в результаті цього виділяють електрони.

Мікробні паливні елементи мають потенціал для виробництва чистої енергії з стічних вод, органічних відходів чи біомаси, що робить їх об'єктом інтересу для відновлюваних джерел енергії, екологічної енергетики та сталого розвитку.

Мікробні паливні елементи досліджуються і розвиваються в галузі біоенергетики та електрохімії і можуть мати потенціал для створення ефективних та сталих джерел енергії.

Принцип роботи 
Типовий мікробний паливний елемент складається з двох камер – анодної та катодної, які розділені йонообмінною мембраною. Анодна камера з електродом заповнюється субстратом разом з мікроорганізмами. В анодній камері має бути створено анаеробні (безкисневі) умови, а також передбачено газовідвід для видалення газоподібних продуктів життєдіяльності мікроорганізмів. Катодна камера з електродом заповнюється розчином електроліту, в ній створюються аеробні (кисневі) умови. 

При споживанні субстрату мікроорганізмами в анаеробних умовах, разом з іншими продуктами метаболізму, в середовище анодної камери виділяються електрони та іони водню (протони). Електрони переносяться на електрод анодної камери безпосередньо з бактеріальної клітини або за допомогою медіаторів. Одночасно протони проходять через йонообмінну мембрану до катодної камери. Дифузія іонів H+ з анода на катод створює високий електрохімічний градієнт. В катодній камері відбувається відновлення кисню, прийом електронів і протонів, що сприяє дифузії іонів H+ з анода на катод. При замиканні кола електрони проходять через зовнішній контур від анода до катода, створюючи електричний струм.

Історія 
Вперше продукування електроенергії мікроорганізмами було досліджено професором ботаніки Міхаелем Поттером у 1911 році. У серії простих експериментів він спостерігав, як дріжджі Saccharomyces cerevisiae продукували електроенергію метаболізуючи глюкозу або сахарозу. Поттер також виявив цей феномен з бактеріями Escherichia coli. Отримана напруга не перевищувала 0,5 В, не зважаючи на збільшення об’єму паливного елементу або розміру електроду. 

У 1931 році Бернет Коен з’єднав між собою багато малих (об'ємом 10 мл) мікробних паливних елементів та отримав загальну напругу на рівні 35 В та силу струму 2 мА. Його установка була занадто складною для того, щоб отримати практичне застосування.

З розвитком космонавтики у 1960-х роках ідея отримання електроенергії за допомогою мікроорганізмів була знову відроджена. Було запропоновано використовувати мікробні паливні елементи при довготривалих космічних місіях для утилізації відходів людини з отриманням електроенергії.

У 1980-х роках важливим поштовхом в розробці мікробних паливних елементів стало додавання до системи медіаторів електронів (нейтральний червоний, метиленовий синій, хелат заліза тощо), які дозволили значною мірою підвищити вихідну напругу та силу струму.

Найбільш значимим етапом у досліджені мікробних паливних елементів наприкінці 20-го століття стало відкриття бактерій, здатних напряму передавати електрони на анод. 

У 2020 році в Scientific Reports була опублікована статтяб що описує створення низьковольтного бустерного підсилювача, який є ефективним для збору енергії та накопичування енергії, для малопотужних мікробних паливних елементів.

Перспективні технології 
Мікробні паливні елементи (МПЕ) є унікальними електрохімічними пристроями, які використовують біологічні процеси для виробництва електроенергії. Нижче наведено список перспективних технологій та методик, що розвиваються в цій галузі:

 Синтетична біологія для оптимізації мікроорганізмів: Використання синтетичкої біології для створення спеціалізованих мікроорганізмів, які мають покращені електрохімічні властивості та ефективність в МПЕ.
 Біоаноди та біокатоди другого покоління: Розробка біоанодів і біокатодів, які забезпечують вищу швидкість окислення та відновлення органічних сполук, підвищуючи виділення електроенергії.
 Використання екзоферментів: Впровадження зовнішніх ферментів, які допомагають у збільшенні робочого діапазону МПЕ та підвищенні ефективності.
 Матеріали для іонно-провідних мембран: Розробка нових іонно-провідних матеріалів, які підвищують швидкість передачі іонів у МПЕ і знижують внутрішні опори.
 Системи для керування та моніторингу: Розробка інтегрованих систем керування та моніторингу для оптимізації роботи МПЕ та забезпечення стабільності роботи.
 Біореактори для культури мікроорганізмів: Вдосконалення біореакторів для ефективного вирощування бактерій та археїв, які використовуються в МПЕ.
 Біодизайн електродів: Розробка нових матеріалів та дизайну електродів для підвищення каталітичної активності та стабільності МПЕ.
 Інтеграція з іншими відновлюваними джерелами енергії: Розробка систем, що дозволяють інтегрувати МПЕ з іншими джерелами відновлюваної енергії, такими як виробництво біоетанолу та біоводню.

Див. також 
 Електрохімічний елемент
 Електрохімічне оброблення
 Електрохімічний метод очищення стічних вод
 Електрогідрогенез
 Мікробний електросинтез
 Біологічний окислювач
 Біопаливо
 Біотехнологія
 Біоінженерія
 Інженерія біологічних систем
 Біомолекулярна електроніка
 Біосенсор
 Нанобіотехнології

Джерела 
 L. Benedict Bruno, Deepika Jothinathan, M. Rajkumar Microbial Fuel Cells: Fundamentals, Types, Significance and Limitations // Microbial Fuel Cell Technology for Bioelectricity / [Ed. by Venkataraman Sivasankar, Prabhakaran Mylsamy Kiyoshi Omine]. – Springer, 2018. –  P. 23–48.
 Kun Guo, Daniel J. Hassett, Tingyue Gu Microbial Fuel Cells: Electricity Generation from Organic Wastes by Microbes // Microbial Biotechnology: Energy and Environment / [Ed. by Rajesh Arora]. – CAB International, 2012. – P. 162–189.

Додаткова література

Книги 

 Ibrahim, Mohamad Nasir Mohamad; Yaqoob, Asim Ali; Ahmad, Akil (1 грудня 2022). Microbial Fuel Cells: Emerging trends in electrochemical applications (англ.). IOP Publishing. ISBN 978-0-7503-4791-4.
 Krishnaraj, R. Navanietha; Sani, Rajesh K., ред. (19 вересня 2019). Bioelectrochemical Interface Engineering (англ.) (вид. 1). Wiley. ISBN 978-1-119-53854-7. doi:10.1002/9781119611103.
 Kim, Jung Rae, ред. (17 вересня 2019). Microbial Fuel Cells 2018. MDPI - Multidisciplinary Digital Publishing Institute. doi:10.3390/books978-3-03921-534-8.
 Das, Debabrata, ред. (2018). Microbial Fuel Cell (англ.). Cham: Springer International Publishing. ISBN 978-3-319-66792-8.

Журнали 

 Journal of Power Sources
 Microbial Cell Factories
 Biotechnology for Biofuels and Bioproducts
 Electrochemical Energy Reviews

Статті 

Sonawane, Jayesh M.; Vijay, Ankisha; Deng, Tianyang; Ghosh, Prakash C.; Greener, Jesse (2023). Phototrophic microbial fuel cells: a greener approach to sustainable power generation and wastewater treatment. Sustainable Energy & Fuels (англ.) 7 (15). doi:10.1039/D3SE00237C. 
Roy, Hridoy; Rahman, Tanzim Ur; Tasnim, Nishat; Arju, Jannatul; Rafid, Md Mustafa; Islam, Md Reazul; Pervez, Md Nahid; Cai, Yingjie та ін. (2023-05). Microbial Fuel Cell Construction Features and Application for Sustainable Wastewater Treatment. Membranes (англ.) 13 (5). doi:10.3390/membranes13050490.
Wang, Jianfei; Ren, Kexin; Zhu, Yan; Huang, Jiaqi; Liu, Shijie (2022-12). A Review of Recent Advances in Microbial Fuel Cells: Preparation, Operation, and Application. BioTech (англ.) 11 (4). doi:10.3390/biotech11040044.
Kurniawan, Tonni Agustiono; Othman, Mohd Hafiz Dzarfan; Liang, Xue; та ін. (2022-01). Microbial Fuel Cells (MFC): A Potential Game-Changer in Renewable Energy Development. Sustainability (англ.) 14 (24). doi:10.3390/su142416847.
Boas, Joana Vilas; Oliveira, Vânia B.; Simões, Manuel; Pinto, Alexandra M. F. R. (1 квітня 2022). Review on microbial fuel cells applications, developments and costs. Journal of Environmental Management 307. doi:10.1016/j.jenvman.2022.114525.
Vishwanathan, A. S. (1 травня 2021). Microbial fuel cells: a comprehensive review for beginners. 3 Biotech (англ.) 11 (5). doi:10.1007/s13205-021-02802-y.
 Slate Anthony J.; Whitehead Kathryn A.; Brownson Dale A. C.; Banks Craig E. (2019). Microbial fuel cells: An overview of current technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews (англ.) 101. с. 60–81. doi:10.1016/j.rser.2018.09.044.

Примітки 
Альтернативна енергетика
Біотехнології
Мікробні паливні елементи ( МПЕ ) — біоелектрохімічні системи , які використовують живі мікроорганізми , зазвичай бактерії або археї , для каталізу окиснення органічних речовин і виробництва електроенергії . Ці пристрої поєднують біологічні процеси з електрохімічними реакціями з метою генерації електричної енергії . Одним із ключових компонентів МПЕ є біоанод , де мікроорганізми окислюють органічні сполуки , такі як глюкоза чи органічні кислоти , і в результаті цього виділяють електрони . Мікробні паливні елементи мають потенціал для виробництва чистої енергії з стічних вод , органічних відходів чи біомаси , що робить їх об'єктом інтересу для відновлюваних джерел енергії , екологічної енергетики та сталого розвитку . Мікробні паливні елементи досліджуються і розвиваються в галузі біоенергетики та електрохімії і можуть мати потенціал для створення ефективних та сталих джерел енергії . Принцип роботи Типовий мікробний паливний елемент складається з двох камер – анодної та катодної , які розділені йонообмінною мембраною . Анодна камера з електродом заповнюється субстратом разом з мікроорганізмами . В анодній камері має бути створено анаеробні ( безкисневі ) умови , а також передбачено газовідвід для видалення газоподібних продуктів життєдіяльності мікроорганізмів . Катодна камера з електродом заповнюється розчином електроліту , в ній створюються аеробні ( кисневі ) умови . При споживанні субстрату мікроорганізмами в анаеробних умовах , разом з іншими продуктами метаболізму , в середовище анодної камери виділяються електрони та іони водню ( протони ) . Електрони переносяться на електрод анодної камери безпосередньо з бактеріальної клітини або за допомогою медіаторів . Одночасно протони проходять через йонообмінну мембрану до катодної камери . Дифузія іонів H + з анода на катод створює високий електрохімічний градієнт . В катодній камері відбувається відновлення кисню , прийом електронів і протонів , що сприяє дифузії іонів H + з анода на катод . При замиканні кола електрони проходять через зовнішній контур від анода до катода , створюючи електричний струм . Історія Вперше продукування електроенергії мікроорганізмами було досліджено професором ботаніки Міхаелем Поттером уроці . У серії простих експериментів він спостерігав , як дріжджі Saccharomyces cerevisiae продукували електроенергію метаболізуючи глюкозу або сахарозу . Поттер також виявив цей феномен з бактеріями Escherichia coli . Отримана напруга не перевищувала5 В , не зважаючи на збільшення об’єму паливного елементу або розміру електроду . Уроці Бернет Коен з’єднав між собою багато малих ( об'ємоммл ) мікробних паливних елементів та отримав загальну напругу на рівніВ та силу струмумА . Його установка була занадто складною для того , щоб отримати практичне застосування . З розвитком космонавтики ух роках ідея отримання електроенергії за допомогою мікроорганізмів була знову відроджена . Було запропоновано використовувати мікробні паливні елементи при довготривалих космічних місіях для утилізації відходів людини з отриманням електроенергії . Ух роках важливим поштовхом в розробці мікробних паливних елементів стало додавання до системи медіаторів електронів ( нейтральний червоний , метиленовий синій , хелат заліза тощо ) , які дозволили значною мірою підвищити вихідну напругу та силу струму . Найбільш значимим етапом у досліджені мікробних паливних елементів наприкінціго століття стало відкриття бактерій , здатних напряму передавати електрони на анод . Уроці в Scientific Reports була опублікована статтяб що описує створення низьковольтного бустерного підсилювача , який є ефективним для збору енергії та накопичування енергії , для малопотужних мікробних паливних елементів . Перспективні технології Мікробні паливні елементи ( МПЕ ) є унікальними електрохімічними пристроями , які використовують біологічні процеси для виробництва електроенергії . Нижче наведено список перспективних технологій та методик , що розвиваються в цій галузі : Синтетична біологія для оптимізації мікроорганізмів : Використання синтетичкої біології для створення спеціалізованих мікроорганізмів , які мають покращені електрохімічні властивості та ефективність в МПЕ . Біоаноди та біокатоди другого покоління : Розробка біоанодів і біокатодів , які забезпечують вищу швидкість окислення та відновлення органічних сполук , підвищуючи виділення електроенергії . Використання екзоферментів : Впровадження зовнішніх ферментів , які допомагають у збільшенні робочого діапазону МПЕ та підвищенні ефективності . Матеріали для іонно - провідних мембран : Розробка нових іонно - провідних матеріалів , які підвищують швидкість передачі іонів у МПЕ і знижують внутрішні опори . Системи для керування та моніторингу : Розробка інтегрованих систем керування та моніторингу для оптимізації роботи МПЕ та забезпечення стабільності роботи . Біореактори для культури мікроорганізмів : Вдосконалення біореакторів для ефективного вирощування бактерій та археїв , які використовуються в МПЕ . Біодизайн електродів : Розробка нових матеріалів та дизайну електродів для підвищення каталітичної активності та стабільності МПЕ . Інтеграція з іншими відновлюваними джерелами енергії : Розробка систем , що дозволяють інтегрувати МПЕ з іншими джерелами відновлюваної енергії , такими як виробництво біоетанолу та біоводню . Див . також Електрохімічний елемент Електрохімічне оброблення Електрохімічний метод очищення стічних вод Електрогідрогенез Мікробний електросинтез Біологічний окислювач Біопаливо Біотехнологія Біоінженерія Інженерія біологічних систем Біомолекулярна електроніка Біосенсор Нанобіотехнології Джерела L . Benedict Bruno , Deepika Jothinathan , M . Rajkumar Microbial Fuel Cells : Fundamentals , Types , Significance and Limitations / / Microbial Fuel Cell Technology for Bioelectricity / [ Ed . by Venkataraman Sivasankar , Prabhakaran Mylsamy Kiyoshi Omine ] . – Springer , – P . 48 . Kun Guo , Daniel J . Hassett , Tingyue Gu Microbial Fuel Cells : Electricity Generation from Organic Wastes by Microbes / / Microbial Biotechnology : Energy and Environment / [ Ed . by Rajesh Arora ] . – CAB International , – P . 189 . Додаткова література Книги Ibrahim , Mohamad Nasir Mohamad ; Yaqoob , Asim Ali ; Ahmad , Akilгрудня Microbial Fuel Cells : Emerging trends in electrochemical applications ( англ . ) . IOP Publishing . ISBN 978 - 0-7503 - 4791 - 4 . Krishnaraj , R . Navanietha ; Sani , Rajesh K . , ред . вересня Bioelectrochemical Interface Engineering ( англ . ) ( вид . Wiley . ISBN 978 - 1 - 119 - 53854 - 7 . doi : 10 . 1002 / 9781119611103 . Kim , Jung Rae , ред . вересня Microbial Fuel Cells MDPI - Multidisciplinary Digital Publishing Institute . doi : 10 . 3390/books978 - 3-03921 - 534 - 8 . Das , Debabrata , ред . Microbial Fuel Cell ( англ . ) . Cham : Springer International Publishing . ISBN 978 - 3 - 319 - 66792 - 8 . Журнали Journal of Power Sources Microbial Cell Factories Biotechnology for Biofuels and Bioproducts Electrochemical Energy Reviews Статті Sonawane , Jayesh M . ; Vijay , Ankisha ; Deng , Tianyang ; Ghosh , Prakash C . ; Greener , Jesse Phototrophic microbial fuel cells: a greener approach to sustainable power generation and wastewater treatment . Sustainable Energy & Fuels ( англ . ) ( 15 ) . doi : 10 . 1039 / D3SE00237C . Roy , Hridoy ; Rahman , Tanzim Ur ; Tasnim , Nishat ; Arju , Jannatul ; Rafid , Md Mustafa ; Islam , Md Reazul ; Pervez , Md Nahid ; Cai , Yingjie та ін . Microbial Fuel Cell Construction Features and Application for Sustainable Wastewater Treatment . Membranes ( англ . ) ( 5 ) . doi : 10 . 3390/ membranes13050490 . Wang , Jianfei ; Ren , Kexin ; Zhu , Yan ; Huang , Jiaqi ; Liu , Shijie A Review of Recent Advances in Microbial Fuel Cells : Preparation , Operation , and Application . BioTech ( англ . ) ( 4 ) . doi : 10 . 3390/biotech11040044 . Kurniawan , Tonni Agustiono ; Othman , Mohd Hafiz Dzarfan ; Liang , Xue ; та ін . Microbial Fuel Cells ( MFC) : A Potential Game -Changer in Renewable Energy Development . Sustainability ( англ . ) ( 24 ) . doi : 10 . 3390 / su142416847 . Boas , Joana Vilas ; Oliveira , Vânia B . ; Simões , Manuel ; Pinto , Alexandra M . F . R . квітня Review on microbial fuel cells applications , developments and costs . Journal of Environmental Management doi : 10 . 1016/j . jenvman . 2022 . 114525 . Vishwanathan , A . S . травня Microbial fuel cells: a comprehensive review for beginners.Biotech ( англ . ) ( 5 ) . doi : 10 . 1007/s13205-021 - 02802-y . Slate Anthony J . ; Whitehead Kathryn A . ; Brownson Dale A . C . ; Banks Craig E . Microbial fuel cells : An overview of current technology . Renewable and Sustainable Energy Reviews ( англ . ) с . 60 – 81 . doi : 10 . 1016/j.rser . 2018 . 09 .044 . Примітки Альтернативна енергетика Біотехнології