Грибы являются одним из самых необычных и загадочных царств на Земле. Они могут быть как одноклеточными, так и носить статус самого крупного организма на планете. Они могут быть крайне полезны, но и губительны. Спектр их применения многогранен и постоянно расширяется. К примеру, ученые из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий предложили использовать грибы в качестве основы для биоразлагаемой, напечатанной на 3D-принтере батареи. Из чего именно сделана эта батарея, какую роль в ней играют грибы, и насколько она эффективна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

По оценкам, к 2030 году объем электронных отходов достигнет 74/7 млн тонн из-за утилизации электроники с компонентами, которые трудно перерабатываются. Таким образом, существует острая необходимость в разработке экологически чистой электроники, в компонентах которой используются более экологически чистые, нетоксичные и возобновляемые материалы.

Одним из типов потенциальной зеленой электроники являются микробные топливные элементы (MFC от microbial fuel cell) или биобатареи. MFC используют окислительно-восстановительный метаболизм микроорганизмов для производства энергии. Микроорганизмы, используемые в MFC, либо метаболизируют органические вещества, такие как сточные воды или сахара, либо используют световую энергию и фотосинтез в отсутствие органических веществ. MFC состоит из анода и катода, и они либо разделены протонообменной мембраной (PEM от proton exchange membrane), либо остаются открытыми в однокамерном устройстве. MFC представляют интерес для таких приложений, как биомедицинские диагностические устройства, носимая электроника, устройства дистанционного зондирования и мониторинга окружающей среды. Они особенно полезны для автономных приложений, которым не нужен доступ к основной энергетической сети. Существует множество различных типов MFC, включая бактериальные, архейные, водорослевые и смешанные.

Различные MFC использовались для очистки сточных вод, для питания маломощных устройств, для питания микропроцессоров и для биологической очистки красителей. Также изучались грибковые MFC, включая MFC с дрожжами и недавно с грибами белой гнили, которые разлагают древесину. Однако исследования, объединяющие как дрожжи, так и грибы белой гнили в качестве анода и катода в MFC на основе целлюлозы, не проводились. Целлюлоза — это распространенный, недорогой, возобновляемый и биоразлагаемый полимер, получаемый из древесины, бактерий, водорослей и оболочников, который успешно применяется для изготовления различных типов органической электроники. Объединение обоих типов грибов в системе целлюлозного MFC дало возможность использовать их различные метаболические возможности, включая деградацию целлюлозы и выработку ферментов, для повышения производительности MFC.

В MFC возможны несколько различных путей переноса электронов. Когда микроорганизм окисляет субстрат в аноде, он производит электроны. Из-за разности потенциалов между субстратом и поверхностью анода электроны перемещаются к его поверхности с помощью ферментов и молекул, которые пересекают ячейку. Катод получает электроны, генерируемые в аноде, через соединительный провод, и они могут перемещаться либо напрямую к терминальному акцептору электронов (TEA от terminal electron acceptor), такому как кислород, либо косвенно через ряд молекул и белков. PEM также может использоваться для физического разделения анодной и катодной камер и имеет то преимущество, что он позволяет протонам попадать в катодную камеру, не допуская попадания кислорода в анодную камеру.

Исследования с дрожжами Saccharomyces cerevisiae и Hansenula anamola выдвинули гипотезу о дегидрогеназах как возможных ферментах, участвующих в переносе электронов от дрожжевых клеток к поверхности анода как с помощью окислительно-восстановительного медиатора, так и без него. Редокс-активные молекулы, обнаруженные в супернатанте некоторых дрожжевых MFC, таких как Arxula adeninivorans и Candida melebiosica, позволяют предположить, что эти дрожжи могут секретировать свой собственный медиатор. Другие исследования с участием грибов белой гнили показывают, что фермент целлобиозодегидрогеназа может напрямую переносить электроны на поверхность анода. Недавние исследования с участием грибов белой гнили на катоде использовали фермент лакказу с участием медиатора и без него для восстановления кислорода в MFC на основе древесины и красителей.

Так же, как существуют различные типы микроорганизмов для использования в исследованиях MFC, существует также множество различных типов материалов для изготовления электродов, PEM и самого MFC, включая использование стеклянных или акриловых полимерных камер с мембраной Nafion и графитовым войлоком или материалами из углеродной бумаги. В последнее время реакторы MFC и компоненты реакторов, такие как электроды, начали печатать на 3D-принтере из различных материалов, включая: полимолочную кислоту, УФ-отверждаемую смолу, нержавеющую сталь и алюминиевый сплав. Одновременно с этим микроорганизмы были включены в чернила, которые были напечатаны на 3D-принтере в объекты и структуры. Бактерии были смешаны с чернилами на основе альгината, гиалуроновой кислоты или графена, а дрожжи были смешаны с чернилами на основе целлюлозы для различных проектов.

В одном из исследований ученые использовали экструзионную печать для печати цианобактерий-альгинат-гидрогеля поверх анода, содержащего бактерии Shewanella onedensis. Одновременно другие исследовательские группы начали печатать электроды из смеси сажи с органическими и неорганическими полимерами для использования в MFC. 3D-биопечать также использовалась для изготовления анода из бактериального гидрогеля для применения в MFC из плексигласа. Использование 3D-биопечать для печати биоэлектродов рассматривалось как преимущество, поскольку оно позволяло бы легче контролировать геометрию, пористость, размеры и эффективный массоперенос питательной среды, электролита или синтезированных продуктов биоэлектрода.

Бактерия S. Onedensis MR-1 была объединена с микрокристаллической целлюлозой, альгинатом и углеродной сажей для создания отвержденного 3D-печатного анода с решетчатой структурой, с прикрепленной к нему платиновой проволокой и катодом из углеродной ткани. Феррицианид использовался в качестве TEA, а полистирольная катионообменная мембрана использовалась в качестве сепаратора. Тем не менее использование органических и биодеградируемых материалов в общей конструкции MFC еще предстоит улучшить.

Ранее авторы рассматриваемого нами сегодня труда разработали материалы, чернила и устройства для новой отрасли зеленой электроники, включая батареи, суперконденсаторы, датчики и дисплеи. В составе этих устройств в качестве основного компонента использовалась целлюлоза.

Целью данного исследования было расширение возможностей, продемонстрированных в предыдущей работе, путем предоставления устройств, которые могли бы не только хранить электроэнергию, но и генерировать энергию в системе, которая была бы полностью безопасна для окружающей среды. Для реализации этого ученые разработали гидрогелевые грибковые чернила, совместимые с 3D-печатью. Эта технология печати обеспечивает полную геометрическую свободу для печати устройств произвольной формы, которые могут быть бесшовно интегрированы с другими электронными компонентами. Для гидрогелевых чернил в качестве матрицы использовалась наноцеллюлоза, которая в сочетании с частицами углерода и графитовыми хлопьями обеспечивала регулируемые вязкость и электронную проводимость для чернил, содержащих грибки. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae (DSMZ 1333) и гриб белой гнили Trametes pubescens (Empa 220) использовались в качестве активных микроорганизмов в MFC. Ни один из штаммов грибов ранее не использовался в MFC. В качестве доказательства концепции ученые разработали полностью биоразлагаемый прототип устройства на основе оболочки из пчелиного воска, шеллачной смолы и индивидуального PEM на основе целлюлозы. Как отмечают ученые, это первое исследование по созданию MFC на основе грибка и целлюлозы с применением 3D-печати.

Результаты исследования

Изображение №1

Живые грибковые чернила были приготовлены путем объединения стерильных целлюлозных чернил, содержащих технический углерод, графитовые хлопья, глицерин и питательные вещества, вместе с дрожжевыми клетками или мицелием грибов белой гнили и медиаторами (1A). Грибковые биобатареи были собраны путем литья ранее разработанного углеродного токосъемника (CC от current collector) непосредственно на оргстекло, используемое для камеры MFC. Медиаторы были поглощены CC в качестве способа доставки их грибам. Чернила грибов затем были напечатаны с помощью прямой печати чернилами / экструзионной 3D-печати на основе роботизированного литья непосредственно на CC (1B). 3D-печать электродов позволила повысить пористость и улучшить диффузию электролита через электрод. Кроме того, поскольку наноцеллюлоза волокнистая, ее 3D-печать создает фибриллярную сеть с большой площадью поверхности, увеличивая контакт между электродом и электролитом. Вместе повышенная пористость и увеличенный доступ к электролиту могут повысить эффективность электрохимических реакций внутри электродов, что приводит к общему улучшению электрохимических характеристик. Схема (1C) показывает, как различные грибы могут использовать питательные вещества и медиаторы для передачи и приема электронов в собранном MFC. Анодная камера была заполнена 2% ME (от malt extract, т. е. солодовый экстракт) в качестве источника питательных веществ, а катодная камера была заполнена 4% ME отфильтрованным супернатантом, содержащим лакказу, медь и медиатор.

Подводя итог, можно сказать, что механизм накопления заряда в грибковой батарее состоит из того, что дрожжи окисляют сахара в аноде, тем самым генерируя электроны. Затем эти электроны переносятся в материал анода и CC через химический медиатор. Затем графитовые хлопья и частицы углерода, которые присутствуют в напечатанном аноде и чернилах CC, передают эти электроны на прикрепленный медный провод. Затем электроны транспортируются в CC и катодные чернила, где второй медиатор облегчает транспорт электронов от CC и печатного электрода к ферменту лакказы, вырабатываемому грибком белой гнили. Фермент лакказы, в свою очередь, восстанавливает кислород до воды, замыкая цепь. PEM действует как физический сепаратор, блокируя электроны, но позволяя протонам проникать в катодную камеру (1C).


Изображение №2

Чтобы настроить свойства чернил на основе гидрогеля для инкапсуляции грибов, реологическая характеристика была выполнена на чернилах 10 мас. % CNC и 1.2 мас. % TEMPO-CNF, которые были автоклавированы для стерилизации и впоследствии загружены клетками T. pubescens Empa 220. CNC и TEMPO-CNF были выбраны в качестве целлюлозных материалов для электродов, напечатанных на 3D-принтере, поскольку было показано, что они повышают механические и вязкоупругие свойства гидрогелей, напечатанных на 3D-принтере, по сравнению с целлюлозой. Для обеспечения 3D-печати гелевые чернила должны демонстрировать сильное истончение при сдвиге, чтобы обеспечить экструзию через печатающее сопло. На основе ранее разработанной 3D-печати гидрогелевых чернил и экспериментальной установки сохранение формы после печати стало возможным благодаря модулю упругости (G′), превышающему несколько кПа, и должно быть значительно выше модуля потерь (G″). Кроме того, динамическое напряжение сдвига текучести (τ_y) составляет 100 Па. Колебательные реологические результаты показывают, что динамическое напряжение сдвига текучести (τ_y) составило 161 Па ± 69 и 152 Па ± 17 для 10% мас. чернил с клетками и без них соответственно.

Добавление клеток T. pubescens Empa 220, таким образом, увеличило динамическое напряжение сдвига текучести чернил (2A), но лишь незначительно. Автоклавированные чернила с 20 мг добавленных мицелиальных клеток были немного жестче (выше G′) по сравнению с автоклавированными чернилами без каких-либо клеток при низких скоростях сдвига (2A). Результаты ротационной реологии показали, что вязкость при скоростях сдвига вращения от 0.01 до 1000 была одинаковой для обеих чернил, которые показали сильное поведение разжижения при сдвиге (2B). В сочетании эти результаты показали, что оба чернила удовлетворяли требованиям печати, поскольку они были вязкоупругими материалами с разжижением при сдвиге, которые текут во время печати и способны сохранять форму.

Затем ученые определили реологическое поведение 15 мас. % CNC и 1.2 мас. % TEMPO-окисленных чернил CNF, которые были автоклавированы, и к которым были добавлены сажа, графитовые хлопья, глицерин и медиаторы. Результаты показали, что динамическое напряжение сдвига текучести этих чернил составило 1288 Па ± 276 (анодные чернила) и 1390 Па ± 234 (катодные чернила). Кроме того, все чернила имели G′ (1175 ± 392 Па — анодные чернила, 3972 ± 1674 Па — катодные чернила) и G″ (2273 ± 349 Па — анодные чернила, 5576 ± 1909 Па — катодные чернила) выше 103 Па (2C, 2D). Таким образом, эти чернила также удовлетворяют требованиям к истончению при сдвиге и вязкоупругим свойствам, необходимым для 3D-печати. Примеры анодных и катодных чернил, напечатанных на 3D-принтере, показаны на 2E и 2F, демонстрируя превосходную точность формы.


Изображение №3

Для визуализации грибковых клеток в гидрогелевых чернилах напечатанный анод был проанализирован с помощью силового электронного микроскопа. Чернила, содержащие углеродную сажу и графитовые хлопья без S. cerevisiae, показали небольшие глобулярные зерна < 5 мкм. Напротив, контрольный образец клеток S. cerevisiae четко показал структуру дрожжевых клеток размером ~5 мкм. При увеличении до 50 мкм углеродная сажа (без клеток) выглядела как хлопьевидные чернила. После идентификации материала чернил и дрожжей можно было изучить, как S. cerevisiae были внедрены в материал чернил, где желтые стрелки указывают на дрожжевые клетки, однородно внедренные в матрицу проводящего гидрогеля (3A).

Затем ученые проверили жизнеспособность S. cerevisiae, объединив клетки с чернилами с помощью орбитального миксера, а затем напечатав чернила на 3D-принтере, используя стерильные методы, на чашках Петри, содержащих 2% MEA. Отпечатки инкубировали при температуре 28 °C в темноте и контролировали рост. При выращивании на MEA дрожжи образуют кремообразную гладкую структуру (2B, 2C). Катод также анализировали с помощью микроскопа. Контрольный образец T. pubescens Empa 220 выглядел как нитевидные стержневидные структуры длиной >30 мкм. Аналогичным образом, в ячейке, содержащей катодные чернила, были обнаружены отдельные стержневидные нити T. pubescens Empa 220, встроенные в матрицу (3D). Грибы белой гнили будут образовывать нитевидные «волосоподобные» мицелии при выращивании на MEA. Результаты жизнеспособности T. pubescens Empa 220 показали, что клетки способны расти в печатных красках (3E, 3F).

Кроме того, ученые определили время, необходимое для роста T. Pubescens внутри печатных красок, чтобы грибы производили лакказу. Лакказа — это фермент, выделяемый грибами белой гнили в присутствии целлюлозы и лигнина. В сочетании с медью и ABTS лакказа становится эффективным переносчиком электронов. Производство лакказы было протестировано в присутствии меди (0.1 мМ CuSO₄), поскольку было показано, что медь индуцирует производство лакказы в грибах белой гнили. Концентрации меди, добавленные к чернилам, находились в диапазоне концентраций Cu, обнаруженных в различных почвах окружающей среды, и составляли лишь небольшие каталитические количества. Производство лакказы оценивалось с помощью анализа фермента лакказы и визуально с помощью колориметрического анализа в чашках Петри. После 4–5 дней роста вокруг напечатанных чернил было видно фиолетовое кольцо и наличие мицелия внутри и вокруг напечатанных чернил, что указывало на производство лакказы (3E). Кроме того, активность фермента лакказы была самой высокой в чернилах, когда для роста использовалась суспензия отфильтрованной среды (из двухнедельной выращенной культуры T. pubescens 220). Возможно, что сахара, такие как глюкоза, присутствующие в 2% ME, подавляют выработку лакказы по сравнению с 2-недельной фильтрованной суспензией. Исследование показало, что выработка лакказы только увеличивалась в культурах T. pubescens, когда глюкоза истощалась в культуральной среде с течением времени.

В совокупности эти результаты помогли определить продолжительность времени, необходимую для выращивания T. pubescens Empa 220 в печатных красках, а также какой тип среды использовать для оптимальной выработки лакказы в катоде. Эти объединенные результаты показывают, что оба грибка хорошо встроены в слои печатных красок. Установив, что грибки были жизнеспособны в печатных красках, ученые затем приступили к характеризации их электрохимической активности.


Изображение №4

После печати анода из дрожжей S. cerevisiae на поверхности CC было проведено сравнение его электрохимической активности с контрольным напечатанным анодом без дрожжей. Медиатор тионин использовался на основе предыдущих исследований с дрожжевыми анодами. Эксперименты с циклической вольтамперометрией анода S. cerevisiae дали пик окисления (−0.06 В) и пик восстановления (−0.29 В), которые отсутствовали в контрольных чернилах без дрожжей (4A). Было выбрано окно развертки потенциала от −0.6 до 0.6 В, чтобы включить ожидаемые пики окислительно-восстановительного потенциала тионина, которые должны появляться в этом диапазоне. На основании этих результатов можно сделать вывод, что напечатанные чернила из дрожжевого анода были электрохимически активными.

Затем ученые протестировали электрохимическую активность дрожжевого анода в стандартизированной установке MFC с использованием коммерческой мембраны Nafion 117 и коммерческого катода из графитовой бумаги с Pt покрытием. Небольшой объем 2% ME (3 мл) был добавлен в анодную камеру в качестве источника питания для дрожжей. Результаты показали, что анод MFC имел среднее напряжение разомкнутой цепи (OCV от open-circuit voltage) ∼400 мВ и что выходное напряжение находилось в диапазоне 250−350 мВ при нагрузке 10 кОм (4B). Это выходное напряжение было стабильным от 3 до 5 дней в различных экспериментах, прежде чем начать неуклонно снижаться.

Аноды без дрожжей показали выходное напряжение в диапазоне 100−180 мВ при нагрузке 10 кОм, и что выходное напряжение длилось менее 1 дня перед снижением (4B). Эти результаты подтвердили, что анод S. cerevisiae был электрохимически активным. Ученые считают, что разница в выходном напряжении между различными экспериментами может быть связана с различиями в количестве клеток, используемых в каждом эксперименте. Было показано, что различия в количестве клеток влияют на выходное напряжение в бактериальных MFC. Для проверки этой гипотезы в печатные чернила добавляли разное количество клеток и измеряли выходное напряжение MFC. Когда количество клеток составляло от 5.2 × 10⁷ клеток до 1 × 10⁸ клеток, выходное напряжение составляло 250–300 мВ с резистором 10 кОм. Когда количество клеток увеличивалось от 8.4 × 10⁸ до 1.4 × 10⁹ клеток, выходное напряжение снижалось ниже 100 мВ менее чем за 1 день. В целом, эти результаты показывают, что анод вырабатывает самую высокую мощность в течение самого длительного периода времени, когда количество клеток было низким в начале эксперимента. Возможным объяснением этого наблюдения является то, что при большом количестве клеток дрожжи потребляют питательные вещества из гидрогелевых чернил быстрее, чем при меньшем количестве клеток.

Чтобы продемонстрировать концепцию использования грибковых батарей в автономных биоразлагаемых устройствах, ученые проверили, можно ли использовать мощность, вырабатываемую анодом в одном MFC, для питания датчика температуры и напряжения. Для теста использовался датчик IoT bluetooth AP4470 (AshaiKasei), который сообщает температуру и напряжение, требуя номинального минимального напряжения 290 мВ и 10−15 мкА для питания датчика. В экспериментах было обнаружено, что выходного сигнала 270 мВ достаточно для срабатывания и запуска датчика. Результаты показывают, что анод может питать датчик более 2.5 часов. На основании этих результатов можно считать, что дрожжевой анод совместим с маломощными измерительными приложениями и может использоваться в дальнейших испытаниях с катодом.

Электрохимическая активность катода также была протестирована индивидуально в трехэлектродной установке. Добавление 10 и 20 мМ ABTS к электролиту дало пик окисления при +0.55 В и пик восстановления при +0.45 В (4C). Предыдущие исследования показывают, что ABTS можно использовать в качестве медиатора с грибами белой гнили на катоде. Кроме того, увеличение концентрации ABTS привело к увеличению пиков окисления и восстановления ABTS. Затем была проведена циклическая вольтамперометрия на печатных красках T. pubescens Empa 220 с добавлением к краскам отфильтрованного супернатанта с высокой лакказной активностью. Было обнаружено, что окислительно-восстановительная активность печатных красок была ниже по сравнению с одним ABTS (без красок) с добавлением супернатанта (4C). Таким образом, катодные печатные краски, по-видимому, не вносили вклад в окислительно-восстановительную активность ABTS. Возможно, присутствие T. pubescens Empa 220 увеличивает сопротивление и снижает транспорт электронов через гель и к поверхности катодного токосъемника. В исследовании MFC, где использовался гриб белой гнили Trametes versicolor, выходное напряжение было ниже по сравнению с MFC, содержащим только лакказу и ABTS. Авторы этого исследования предположили, что, возможно, адгезия грибка к катоду из углеродного волокна затрудняет перенос электронов от ABTS к поверхности катода. В результате этого открытия ученые продолжили с T. pubescens Empa 220, добавленным непосредственно в MFC без его диспергирования в гелевой матрице.

Для определения электрохимической активности катода ученые сравнили выходное напряжение MFC с T. pubescens Empa 220 в катодном отделении и без него. Несколько кусочков мицелия были введены в катодное отделение, а в качестве катализатора использовался супернатант, содержащий лакказу. MFC с T. pubescens Empa 220 и 20 мМ ABTS имел OCV 600 мВ (4D). Внутреннее сопротивление MFC составляло 17 кОм. При подключении нагрузки 100 кОм в течение нескольких дней генерировалось 300−500 мВ. На 5-й день эксперимента нагрузка 100 кОм была заменена на нагрузку 10 кОм, чтобы внешняя нагрузка могла быть ближе к внутреннему сопротивлению. Известно, что более высокое выходное напряжение может быть получено, чем ближе внешняя нагрузка к внутреннему сопротивлению MFC. Переключение нагрузки на 10 кОм снизило напряжение до 30 мВ на 6-й день (4D). Кроме того, внутреннее сопротивление, по-видимому, увеличилось до 80 кОм из-за высыхания анодной камеры. Повторное заполнение анодного отсека и повторное присоединение нагрузки 10 кОм увеличило напряжение до 200 мВ на 7-й день. Эти результаты показывают, что напряжение и выходная мощность зависят от поддержания адекватных условий роста в аноде и, что важно, что грибковая батарея может быть реактивирована путем регидратации.

Для изучения влияния ABTS на напряжение и выходную мощность эксперимент был повторен снова, но на этот раз с 10 мМ ABTS. Добавление 10 мМ ABTS и T. pubescens Empa 220 привело к снижению OCV до 400 мВ, а при присоединении нагрузки 100 кОм в течение 2 дней было получено >200 мВ (4D). Следовательно, использование более низкой концентрации ABTS снижает выходную мощность. Таким образом, для дальнейших испытаний была выбрана концентрация 20 мМ ABTS. Затем ученые провели контрольный эксперимент, в котором грибок был исключен из катодного отсека и использовалось 20 мМ ABTS. OCV составил 160 мВ, а после присоединения нагрузки 100 кОм на 3-й день напряжение резко упало до 13 мВ (4D). В совокупности эти результаты подтвердили, что наличие клеток T. pubescens Empa 220 необходимо для максимальной выходной мощности в MFC.

Определив идеальные параметры для использования как для анода (7-слойная печать, 1 × 10⁸ дрожжевых клеток, 3 мл 2% ME), так и для катода (4 мл супернатанта лакказы, фрагменты белой гнили, 20 мМ ABTS), ученые приступили к тестированию максимальной мощности и выходного тока MFC. Для одного MFC максимальная мощность 12.54 мкВт/см² была получена при плотности тока 49.2 мкА/см² с нагрузкой 22 кОм, подключенной к MFC (4E). Подключение четырех MFC параллельно к датчику без какой-либо нагрузки могло питать его в течение 65 часов (4F).


Изображение №5

Для создания полностью биоразлагаемого прототипа MFC ученые использовали натуральный пчелиный воск без каких-либо добавок для литья круглого корпуса MFC. Бумага была приклеена к двум кускам воска с помощью шеллачной смолы для проверки возможности использования целлюлозного PEM (5A). После заполнения корпуса водой бумага могла предотвратить попадание воды в одну из пустых камер. Кроме того, не было утечки воды из собранного корпуса. Для оптимизации ионной проводимости было разработано несколько PEM на основе целлюлозы. Измерения проводимости через плоскость показали, что некоторые PEM из целлюлозы можно сделать более проводящими, чем Nafion 117. Это было особенно верно, когда PEM испытывался с дрожжевой минимальной питательной средой (YMM от yeast minimal growth medium) в качестве электролита. По крайней мере одно другое исследование с использованием PEM на основе ацетата показало, что PEM на основе целлюлозы могут обеспечивать высокую проводимость. Однако это исследование не продолжилось тестированием мембраны в MFC. Имея разработанные мембраны под рукой, ученые сначала протестировали целлюлозные PEM с высокой проводимостью в MFC с воздушным катодом. В тесте с воздушным катодом результаты показали, что MFC с целлюлозными PEM давали более низкое выходное напряжение по сравнению с тем, когда вместо этого использовался Nafion 117. Эти результаты показывают, что, несмотря на тесты проводимости через плоскость, показывающие высокую проводимость PEM на основе целлюлозы в различных электролитах, в собранном MFC вводятся дополнительные сопротивления, которые могут привести к низкому выходному напряжению.

В качестве последнего шага ученые приступили к тестированию наиболее производительного целлюлозного PEM (scaa27) и чернил в полностью собранном восковом корпусе. В отдельных тестах в анодном отсеке использовался либо YMM, либо 2% ME. Результаты с использованием YMM в анодном отсеке с T. pubescens Empa 220 в катодном отсеке показали, что OCV составляло 176 мВ в течение нескольких часов, прежде чем снизиться, затем увеличилось и оставалось на уровне 120 мВ в течение нескольких дней. Внутреннее сопротивление составило 11 кОм. Низковольтный выход совпадает с результатами тестового корпуса с использованием PEM на основе целлюлозы вместо Nafion 117. В конце недельного эксперимента корпус из пчелиного воска был открыт, и в некоторых корпусах на поверхности PEM в катодном отсеке наблюдался рост грибка. Это указывает на то, что T. pubescens Empa 220 может разлагать целлюлозный PEM, что является преимуществом для создания биоразлагаемого прототипа. Кроме того, чернила дрожжевого анода показали признаки роста дрожжей на поверхности чернил, а на поверхности катода присутствовали темные мицелиальные гранулы белой гнили. Эти результаты дополнительно показывают, что пчелиный воск не подавляет рост грибков ни в одном из отсеков. Однако связывание белой гнили с поверхностью катода могло предотвратить перенос электронов на CC.

Затем ученые провели испытания MFC с использованием 2% ME в анодном отсеке. Было сделано несколько модификаций для дальнейшего улучшения MFC, включая: прикрепление мицелиальных гранул белой гнили вокруг CC вместо его поверхности, печать 5 вместо 4 слоев анодных чернил и добавление большего количества супернатанта лакказы в катодную камеру. Результаты показали, что грибковые MFC имели OCV от 400 до 500 мВ в течение нескольких часов в первый день, прежде чем неуклонно падать с течением времени. По сравнению с грибковыми MFC, OCV негрибковых MFC падал по напряжению быстрее с течением времени. Присоединение нагрузки 50 кОм к MFC позволило протестировать внутреннее сопротивление MFC. Внутреннее сопротивление грибковых MFC было выше (139 и 330 кОм), чем негрибковых MFC (100 кОм), возможно, из-за присутствия грибка. Переключение нагрузки на нагрузки, соответствующие внутреннему сопротивлению каждого MFC, показало, что грибковые MFC вырабатывают напряжение от 100 до 200 мВ, тогда как негрибковые MFC вырабатывают напряжение от 75 до 50 мВ.

Наконец, ученые также провели испытания, чтобы определить, будут ли грибковые биобатареи распадаться в искусственном компосте. Наблюдался непрерывный распад и потеря массы собранного MFC. Через 3 недели большая часть воска распалась на фрагменты, видимые глазом (5A).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о батареях, созданных на основе грибков. Полученные устройства являются микробными топливными элементами, в которых живые клетки грибков используют питательные вещества для выработки энергии. В данной батарее были объединены два типа грибков: дрожжевые грибки на аноде, метаболизм которых высвобождает электроны, и грибок белой гнили на катоде, позволяющий захватывать электроны и выводить их из батареи.

Внедрение грибов в батарею было реализовано посредством применения специальных чернил и 3D-печати. Данные чернила были сделаны на основе целлюлозы. Грибковые клетки могут даже использовать целлюлозу в качестве питательного вещества и, таким образом, способствовать разрушению батареи после использования. Однако их предпочтительным источником питательных веществ являются простые сахара, которые добавляются в ячейки батареи.

Результаты опытов дали критически важное представление об условиях, необходимых для успешного создания грибковых MFC, способных питать маломощную систему. Такие MFC могут быть спроектированы для автономной работы и разлагаться в конце использования без какого-либо вреда для окружающей среды. Представленная технология, интегрирующая метаболическую генерацию энергии грибами с аддитивной 3D-печатью в биоразлагаемые устройства, имеет потенциал открыть новые пути в устойчивых электронных приложениях, которые используют грибковые батареи в качестве источников питания для мониторинга окружающей среды, дистанционного зондирования и интеллектуального сельского хозяйства.

Будущая оптимизация может быть предусмотрена для увеличения выходной мощности MFC, например, за счет более производительных PEM и токосъемников, а также для повышения настраиваемости с помощью 3D-печати, что позволит обеспечить более однородную интеграцию грибковых клеток и электродов. Возможность интеграции грибковых MFC для использования с маломощными микрокомпьютерами, мягкими роботами, микроконтроллерами и машинным обучением, и даже маломощной электроникой, предназначенной для исследования космоса, также является возможным будущим применением. Грибковые батареи следующего поколения также могут быть оптимизированы для непрерывного использования, предлагая возможность подзарядки батареи. Более того, ученые считают вполне возможным использование потоков пищевых и сельскохозяйственных отходов в качестве органических субстратов вместе с грибковыми батареями.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?