미생물 연료전지의 변형 흑연 양극에서 개발된 전기생성 생물막의 박테리아 군집 구조

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1255(2023) 이 기사 인용

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전극에 전기생성 미생물 생물막을 형성하는 것은 미생물 바이오연료 전지(MFC)의 폐수로부터 전력을 수확하는 데 중요합니다. 생물막의 박테리아 군집 구조에 대한 지식은 MFC 전극의 합리적인 설계에 필수적이지만, 이 주제에 대한 심층적인 연구는 여전히 기다리고 있습니다. 여기서 우리는 공기 음극 MFC에 조립된 변형 흑연 양극에 전기생성 생물막을 생성하여 이 문제를 해결하려고 시도합니다. 변형은 환원그래핀옥사이드(rGO), 폴리아닐린(PANI) 및 탄소나노튜브(CNT)를 별도로 사용하여 수행되었습니다. 생물막의 성장을 촉진하기 위해 양극 제조 과정에서 대두-감자 복합체(식물) 분말을 이러한 전도성 물질과 혼합했습니다. PANI 기반 양극으로 제작된 MFC는 324.2mA cm-2의 전류 밀도를 전달했으며 CNT(248.75mA cm-2), rGO(193mA cm-2) 및 블랭크(코팅 없음)(151mA cm-2)가 뒤따랐습니다. 2) 흑연 전극. 마찬가지로 PANI 기반 양극은 다양한 모양과 크기의 세포와 광범위한 대사 기능을 갖춘 최대 박테리아 세포 밀도를 포함하는 강력한 생물막 성장을 지원했습니다. PANI로 코팅된 양극 위에 개발된 생물막의 알파 다양성은 높은 처리량 16S rRNA 서열 분석에서 공개된 바와 같이 가장 높은 작동 분류 단위(2058 OUT) 및 Shannon 지수(7.56)였습니다. 또한, 이러한 분류학적 단위 내에서 프로테오박테리아(Proteobacteria), 피르미쿠테스(Firmicutes) 및 박테로이데테스(Bacteroidetes)로 구성된 외전기성 문은 해당 수준(%) 45.5, 36.2 및 9.8로 최대였습니다. 클래스 수준에서 Gammaproteobacteria, Clostridia 및 Bacilli의 상대적 풍부함은 PANI 기반 양극에서 속 수준의 Pseudomonas, Clostridium, Enterococcus 및 Bifidobacterium이 비교적 높았습니다.

폐수 관리에 사용되는 바이오 기반 프로세스는 화학적 및 물리적 프로세스보다 운영 비용이 적고 운영이 간단합니다1. 효율성을 향상시키고 바이오 기반 처리 공정에 부가 가치 이점을 결합하여 실제 적용에 대한 잠재력을 최대한 실현하려는 노력이 진행되고 있습니다2. BES(생전기화학 시스템)를 사용하여 폐수의 유기 화합물을 귀중한 파생물로 변환하는 것은 기타 구현에서의 전망으로 인해 발전하는 매력을 끌어냈습니다3. 미생물 연료 전지(MFC)는 전기 활성 미생물을 사용하여 폐수에 존재하는 생분해성 유기 화합물을 분해하고 동시에 생전기화학적 변환 전략을 통해 생체 전기 전력을 생성할 수 있는 잠재력을 지닌 이 생명 공학 벤처의 매력적인 추가 요소입니다4. 이 전환 과정의 핵심은 MFC 전극을 생물막으로 식민지화하고 생체 촉매 활동을 통해 전환 과정을 시작하는 폐수 환경의 천연 미생물 개체군입니다. 그러나 자연적으로 진화된 박테리아 생물막을 통해 폐수에 존재하는 복합 유기 물질의 생체전기촉매 전환 과정은 길어지고 개방된 환경 조건에서 폐기물 축적 역학에 대처할 만큼 충분히 유능하지 않습니다. 이러한 문제를 불러일으키는 중요한 문제 중 하나는 양극 표면 위에 전기생성 생물막이 느리게 형성된다는 것입니다. 따라서 전극 표면에서 미생물 생물막 전기영동을 유도하는 것은 MFC 기반 생물공정 기술의 중요한 연구 분야이다.

MFC에서 전력을 수확하기 위해 전극 표면에 전기 미생물 생물막을 개발하는 방법에 대한 수많은 과학적 보고서가 있습니다8,9. 전자는 유기 화합물을 분해하고 생성된 전자를 전극10,11으로 전달하여 MFC 설정에서 전기 에너지를 생성하는 전기화학적 활성 미생물(가장 일반적으로 박테리아)입니다. 전극(주로 양극) 표면에 있는 이러한 전자원의 생물막 형성은 MFC에서 원하는 전력을 생성하기 위해 폐수 내 유기 화합물의 산화로부터 충분한 대사 전자를 수확하기 위한 전제 조건입니다. 스크리닝 전극 및 전극 위의 코팅 재료, 베이스 전극16, 나노제조와 생물막의 화학적 결합, 전극 제조를 위한 환경 폐기물 스크리닝 등 박테리아 생물막을 생성하고 MFC의 전력을 향상시키기 위한 다양한 전략이 조사되었습니다. 전극 재료 중에서 탄소 기반 재료는 생물막의 전기화학적 성능을 향상시키는 유망한 전극으로 떠오르고 있습니다.

MFC-S4 > MFC-S2 > MFC-S1. The highest current density of 324.25 mA cm−2 was gained in the MFC-S3, which was ~ twofold more elevated than the current (151.2 mA cm−2) generated in MFC-S1 (Fig. 2a). Furthermore, The results illustrated in Fig. 2b displayed that the maximum power density was produced by MFC-S3 system, with a value of 256.4 mW cm−2, followed by 230.8, 148, and 91.5 mW cm−2, respectively, for MFC-S4, MFC-S2, and MFC-S1 systems./p> S4 > S2 > S1 (Fig. 4b). Although all the reactors were operated with the same inoculum of activated sludge, the microbial communities of the electrodes (S2-S4) were significantly distinct from those of the unmodified anode (S1), as revealed from the principal coordinates analysis (PCoA) at the genus level (Fig. 4c). The beta diversity analysis through the PCo plot, which provides the information on microbial community structure (the taxonomy of species) difference among the biofilm samples in habitats, indicates that the community structure of anodic biofilm in S3 was closest to S4. The scenario could be best represented through the Venn diagram, which was applied to compute the number of identical and unique OTUs in the four separate biofilm S1–S4, and illustrated the level of similarity and overlap in the OTU composition of the samples (Fig. 4d). It is evident from the data that S3, with 678 OTUs, had the most, followed by S4, with 382, S2, with 101, and S1, with 29 OTUs. It is worth noting that the PANI-modified anodes (S3) had a noticeable impact on bacterial community composition, expanding the number of OTUs in the communities and promoting unique OTUs./p>

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