Преобразование отходов в энергию через устойчивое производство биоэнергии и биоводорода из лигноцеллюлозных отходов с использованием микробных топливных и электролизных ячеек

Преобразование сельскохозяйственных отходов в чистую энергию

В районах выращивания риса остаточную солому часто сжигают прямо в поле, заполняя воздух дымом и парниковыми газами. Это исследование предлагает другой путь: использовать рисовую солому как сырьё для небольших биоэлектрических устройств, которые одновременно очищают отходы и производят полезную энергию в виде электричества и водорода. Работа показывает, что способ подготовки этого скромного остатка существенно влияет на количество получаемой энергии.

Почему рисовая солома — проблема и возможность

Рисовая солома ежегодно образуется в огромных объёмах и в основном рассматривается как обуза. Фермеры часто сжигают её для очистки полей, что выбрасывает мелкие частицы и газы, вредящие лёгким, ухудшающие качество почвы и способствующие изменению климата. В то же время эта солома богата растительными волокнами, в которых запасена химическая энергия. Если эту энергию извлечь контролируемым образом, рисовые поля могут стать источником чистой энергии вместо загрязнения, помогая сельским районам управлять отходами и сокращать зависимость от ископаемого топлива.

Небольшие устройства, где микробы производят электричество

Исследователи использовали микробные топливные ячейки — простые двухкамерные устройства, в которых сообщества бактерий разлагают органику с одной стороны и передают электроны на электрод. Эти электроны проходят по проводу на другую сторону устройства, создавая электрический ток, при этом микробы также способствуют очистке отходов. Команда протестировала три формы материалов из рисовой соломы в качестве пищи для микробов: измельчённую солому, соломную жидкость, полученную химической обработкой, и ксилан — более простое волокно, извлечённое из этой жидкости. Каждую из них сравнивали со стандартным химическим субстратом, чтобы выяснить, какой даёт наиболее мощный и чистый энергетический выход.

Поиск лучшей формы соломы для выработки электроэнергии

Когда топливные ячейки работали на ксилане, они давали наибольшее напряжение и мощность, а также наиболее эффективное удаление органического загрязнения из жидкости. Это говорит о том, что более простая структура ксилана легче усваивается микробами и преобразуется в электроны. В отличие от этого, целая солома и соломная жидкость всё ещё содержали сложные растительные соединения, замедляющие разложение или мешающие микробной активности, что приводило к более низкой выработке электричества. Подробные электрические измерения подтвердили, что ячейки, питающиеся материалами из соломы, могли эффективно перемещать электроны: в некоторых конфигурациях наблюдалось очень низкое сопротивление потоку электронов и относительно высокие электрические токи.

Переход от электричества к водороду

Команда также изучала микробные электролизные ячейки — близкий по принципу тип устройства, который использует небольшое дополнительное внешнее напряжение для выделения водорода на одном из электродов. Здесь они кормили устройства либо соломной жидкостью, либо ксиланом, либо стандартным химическим контролем. В режиме, ориентированном на водород, соломная жидкость показала себя лучше всего: она обеспечивала наивысшую плотность мощности, самую быструю скорость производства водорода и сильное удаление органики. Ксилан поддерживал генерацию водорода, но примерно с третью скорости по сравнению с соломной жидкостью, вероятно потому, что для этого требуются дополнительные биологические этапы и происходит конкуренция с другими микробами, уводящими электроны от образования водорода.

Что это означает для чистой энергии от сельхозкультур

В целом исследование показывает, что одни и те же сельскохозяйственные отходы можно адаптировать под разные энергетические цели простым изменением способа их обработки. Более очищённая волокнистая форма рисовой соломы благоприятствует выработке электроэнергии в микробных топливных ячейках, тогда как богатая питательными веществами жидкость из предварительно обработанной соломы способствует получению водорода в микробных электролизных ячейках. Для неспециалистов главное сообщение таково: сельскохозяйственные остатки, такие как рисовая солома, не обязательно нужно сжигать или выбрасывать. С относительно простой обработкой и биоэлектрохимическими устройствами их можно превратить в более чистые носители энергии и одновременно сократить загрязнение воды, поддерживая более устойчивое управление отходами в фермерских сообществах.

Цитирование: Bayoumi, M., Hassouna, M.S., Hussien, A.A. et al. Waste to energy through sustainable bioenergy and biohydrogen production from lignocellulosic waste using microbial fuel cell and microbial electrolysis cell. Sci Rep 16, 15462 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50075-3

Ключевые слова: рисовая солома, микробная топливная ячейка, микробная электролизная ячейка, биоводород, отходы в энергию