Применение ионных жидкостей в гидрогеназном электроде

Проект посвящен применению в водородном электроде на основе фермента гидрогеназы ионных жидкостей - органических солей, жидких при комнатной температуре. Конечный продукт - электрод, содержащий гидрогеназу в среде с ионной жидкостью. Ожидается, что применение ионных жидкостей повысит устойчивость гидрогеназного электрода к агрессивным воздействиям из внешней среды.

Категория
Проект, изменивший мир - биотехнологии и медицина
Автор проекта
Научный руководитель
Цыганков Анатолий Анатольевич
Научное направление
Биотехнология
Описание

Гидрогеназа Thiocapsa roseopersicina рассматривается многими исследователями как перспективный заменитель платины в водородных электродах и биосенсорах водорода вследствие ее возобновляемости, термостабильности и устойчивости к воздействию каталитических ядов, таких, как монооксид углерода и сероводород [Зорин, 1986; Зорин, Гоготов, 1982; Karyakin et. al., 2005]. Было показано, что она устойчива к воздействию ряда органических растворителей, смешивающихся с водой; более того, такие растворители, как ацетон и ацетонитрил, повышали активность гидрогеназы при концентрации растворителя до 80% [Serebryakova et. al., 2009]. Предполагается, что повышение активности связано с повышением растворимости водорода в бинарных системах растворитель-вода.

На сегодняшний день в нашей лаборатории показана высокая стабильность гидрогеназного электрода в условиях агрессивной среды (в присутствии темнового бактериального консорциума, выделяющего водород и другие газы, такие как сероводород, при сбраживании крахмалсодержащего сырья) [Шастик, 2013]

Ионные жидкости (соли, существующие в виде ионов в жидкой фазе при комнатной температуре) – перспективный вид растворителей для биокатализа. Показана возможность их применения как т.н. “зеленых”, т.е. экологически чистых, растворителей в процессе гидролиза целлюлозосодержащего сырья с помощью целлюлаз, а также в других системах биокатализа.

На сегодняшний день нами была найдена лишь одна работа, посвященная исследованию гидрогеназ в ионных жидкостях [Ciaccafava et. al., 2011] В данной работе были исследованы гидрогеназы Desulfovibrio fructosovorans и Aquifex aeolicus. Было показано, что гидрогеназа A. aeolicus выдерживает концентрации ионных жидкостей, способных к смешиванию с водой (EmimBF4, BmimBF4) до 80% при катализе поглощения водорода гидрогеназой, иммобилизованной на электроде из пиролитического графита. Однако, по сообщению авторов, катализ окисления водорода в растворе в присутствии виологеновых красителей был невозможен при использованных концентрациях ионных жидкостей. Недостатком данной работы было также то, что в растворах ионных жидкостей не проводилась регистрация рН.

Целью данного проекта является изучение возможности применения ионной жидкости в гидрогеназных электродах.

Задачи проекта

Определить влияние ионных жидкостей, смешиваемых с водой (EmimBF4, BmimBF4) на активность гидрогеназы в реакции поглощения водорода в растворе и в иммобилизованном состоянии на электроде.

Определить влияние ионных жидкостей на операционную стабильность гидрогеназного электрода.

Определить активность и стабильность гидрогеназы в растворе и на электроде в тройных системах: вода-ионная жидкость-органический растворитель (ацетон, ацетонитрил)

Ожидаемые результаты

Ожидается, что ионная жидкость повысит операционную стабильность гидрогеназного электрода по причине снижения эффекта тепловой денатурации фермента вследствие большего размера молекул ионной жидкости по сравнению с водой. Возможно, что добавление ионной жидкости к органическим растворителям позволит минимизировать объемы используемой воды и повысить активность электрода засчет повышения растворимости водорода в системе ионная жидкость-вода-органический растворитель, а также повысить термостабильность данного типа электродов.

Практическая значимость

По завершении работы будет получен гидрогеназный электрод, обладающий высокой активностью и стабильностью. Возможно патентование данного электрода в России или за рубежом. Использование ионных жидкостей позволит расширить температурный диапазон применения данного электрода, а также снизит его сопротивление. Подобный электрод может послужить основой для биосенсоров водорода и ферментных топливных элементов. Биосенсоры водорода будут обладать значительно большей специфичностью по отношению к водороду, нежели сенсоры на основе обычных катализаторов, благодаря высокой специфичности самого фермента. Помимо этого, они будут способны функционировать в "грязных" условиях  - например, в системах очистки сточных вод, поскольку фермент устойчив к примесным газам, а применение ионных жидкостей дополнительно повысит устойчивость к газам, таким как сероводород, засчет крайне малой растворимости газов (кроме водорода). Топливные элементы на основе гидрогеназы в перспективе (в случае снижения стоимости фермента) можно будет использовать в качестве источников энергии, поддерживающих системы очистки сточных вод, генерирующие водород, а также в малых самоходных объектах.

Ресурсы и потребности

В лаборатории имеется модельная установка  (биореактор с микроорганизмами, выделяющими водородсодержащий биогаз) для проверки гидрогеназного электрода как в режиме сенсора водорода, так и в режиме генерации тока.

В настоящее время ведутся работы по определению влияния двух ионных жидкостей (EmimBF4 и BmimBF4) на гидрогеназу в растворе. Необходимо дополнительное финансирование для закупки и проверки большего спектра ионных жидкостей, а также расходных материалов для изготовления электродов.

Уровень активности
11






Отправить ссылку: