"Живые системы рекуперации энергии, использующие бактерии, обнаруженные в сточных водах, являются одним из двух способов достижения экологической устойчивости", - сказал соавтор исследования Ю Хуан, профессор и заведующий кафедрой материаловедения и инженерии инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Естественные популяции бактерий могут помочь обеззараживать подземные воды, расщепляя вредные химические соединения. Теперь наше исследование также показывает практический способ использования возобновляемой энергии в результате этого процесса ". 

Команда сосредоточилась на роде бактерий Шеванелла, которые были широко изучены на предмет их возможностей по выработке энергии. Они могут расти и процветать во всех типах окружающей среды - включая почву, сточные воды и морскую воду - независимо от уровня кислорода.  

Шеванелла виды естественным образом расщепляют органические отходы на более мелкие молекулы, причем электроны являются побочным продуктом метаболического процесса. Когда бактерии растут в виде пленок на электродах, часть электронов может быть захвачена, образуя микробный топливный элемент, который вырабатывает электричество. 

Однако микробные топливные элементы, работающие на Shewanella oneidensis (Шеванелла онейденсис) ранее не улавливалось достаточного количества токов от бактерий, чтобы сделать технологию практичной для промышленного использования. Немногие электроны могли двигаться достаточно быстро, чтобы покинуть мембраны бактерий и попасть в электроды, обеспечивая достаточный электрический ток и мощность.

Чтобы решить эту проблему, исследователи добавили наночастицы серебра к электродам, которые состоят из разновидности оксида графена. Наночастицы высвобождают ионы серебра, которые бактерии превращают в наночастицы серебра, используя электроны, генерируемые в результате их метаболического процесса, а затем внедряют в свои клетки. Оказавшись внутри бактерий, частицы серебра действуют как микроскопические передающие провода, захватывая больше электронов, вырабатываемых бактериями.

"Добавление наночастиц серебра в бактерии похоже на создание специальной экспресс-полосы для электронов, что позволило нам извлекать больше электронов и на более высоких скоростях", - сказал Сянфэн Дуань, другой автор исследования и профессор химии и биохимии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. 

Обладая значительно улучшенной эффективностью переноса электронов, полученный в результате настоянный на серебре Шеванелла пленка выводит более 80% метаболических электронов во внешнюю цепь, генерируя мощность 0,66 милливатт на квадратный сантиметр, что более чем в два раза превышает предыдущий рекорд для топливных элементов на основе микробов.

С увеличением тока и повышением эффективности исследование, которое было поддержано Управлением военно-морских исследований, показало, что топливные элементы, работающие на серебре-Шеванелла гибридные бактерии могут проложить путь к достаточной выходной мощности в практических условиях.

Боченг Цао, докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которого консультировали Хуан и Дуань, является первым автором статьи. Другими старшими авторами UCLA являются Джерард Вонг, профессор биоинженерии; Пол Вайс, президентский председатель Калифорнийского университета и заслуженный профессор химии и биохимии, биоинженерии, материаловедения и инженерии; и Чонг Лю, доцент химии и биохимии. Кеннет Нилсон, почетный профессор наук о земле в Университете Южной Калифорнии, также является старшим автором.