[論文レビュー] Archaea-based Microbial Fuel Cell Operating at High Ionic Strength Conditions

Ximena C. Abrevaya, N.J. Saco+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2011

Microbial Fuel Cells and Bioremediation被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、塩分環境を模倣する高イオン強度条件下で効率的な電力発生を可能にする、古細菌（Haloferax volcanii および Natrialba magadii）をバイオカタリスティクスとして用いた微生物燃料電池（MFC）を提示している。MFCは中間体を用いない場合に最大11.87 μW cm⁻²、中性レッドを用いる場合に最大50.98 μW cm⁻²の出力を達成し、塩分環境や極限環境におけるスケーラブルで実用的な応用の可能性を示している。

ABSTRACT

In this work two archaea microorganisms (Haloferax volcanii and Natrialba magadii) used as biocatalyst at a microbial fuel cell (MFC) anode were evaluated. Both archaea are able to grow at high salt concentrations. By increasing the media conductivity, the internal resistance was diminished, improving the MFCs performance. Without any added redox mediator, maximum power (Pmax) and current at Pmax were 11.87 / 4.57 / 0.12 μW cm-2 and 49.67 / 22.03 / 0.59 μA cm-2 for H. volcanii, N. magadii and E. coli, respectively. When neutral red was used as redox mediator, Pmax was 50.98 and 5.39 μW cm-2 for H. volcanii and N. magadii respectively. In this paper an archaea MFC is described and compared with other MFC systems; the high salt concentration assayed here, comparable with that used in Pt-catalyzed alkaline hydrogen fuel cells will open new options when MFC scaling-up is the objective, necessary for practical applications.

研究の動機と目的

• 高イオン強度条件下における古細菌をバイオカタリスティクスとして用いた微生物燃料電池の評価。
• Haloferax volcanii および Natrialba magadii が赤酸化還元中間体を添加せずに電力を発生させる性能の評価。
• マスコントラストの増加が内部抵抗およびMFC効率に与える影響の調査。
• 従来の E. coli を用いたシステムと比較して、古細菌を用いたMFCの性能を評価。
• 塩分環境における実世界応用を想定した、古細菌を用いたMFCのスケーラビリティの可能性の探求。

提案手法

• 微生物燃料電池に、ハロフィル的古細菌としての Haloferax volcanii および Natrialba magadii をアノードバイオカタリスティクスとして使用した。
• 極限的なイオン強度条件を模倣するため、高塩分濃度でMFCを運転した。
• 電気化学的性能は、電流および出力密度のモニタリングにより測定した。
• 内部抵抗を低減し、電子移動を促進するために、マスコントラストを増加させた。
• 赤酸化還元中間体である中性レッドを導入し、出力に与える影響を評価した。
• 同一条件下で E. coli を用いたMFCと比較して性能をベンチマークした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Haloferax volcanii や Natrialba magadii などの古細菌は、高イオン強度条件下で微生物燃料電池のバイオカタリスティクスとして効果的に機能できるか？
• RQ2 マスコントラストの増加が、古細菌を用いたMFCの内部抵抗および出力に与える影響は何か？
• RQ3 赤酸化還元中間体を添加しない状態で、古細菌を用いたMFCが達成可能な最大出力密度は何か？
• RQ4 中性レッドを赤酸化還元中間体として添加することで、古細菌を用いたMFCの出力にどのような影響が生じるか？
• RQ5 古細菌を用いたMFCは、塩分濃度の高い環境において、従来の E. coli を用いたシステムをどの程度上回るか？

主な発見

• 中間体を添加しない状態で、Haloferax volcanii を用いた古細菌を用いたMFCは、最大11.87 μW cm⁻²の出力を達成した。
• 同じ条件下で Natrialba magadii は最大4.57 μW cm⁻²の出力を発生させ、H. volcanii よりも顕著に低い出力であった。
• 最大出力時の電流密度は H. volcanii で49.67 μA cm⁻²であり、強力な電子移動能力を示している。
• 中性レッドを中間体として用いることで、H. volcanii を用いたMFCの最大出力密度は50.98 μW cm⁻²にまで上昇し、顕著な性能向上が確認された。
• N. magadii に対しても中性レッドの添加により出力が5.39 μW cm⁻²に上昇したが、依然として H. volcanii よりも低い水準であった。
• マスコントラストの増加により内部抵抗が低下し、すべてのテスト対象システムにおいてMFC性能が直接的に向上した。