[논문 리뷰] Archaea-based Microbial Fuel Cell Operating at High Ionic Strength Conditions

Ximena C. Abrevaya, N.J. Saco외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 29.

Microbial Fuel Cells and Bioremediation인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고염도 환경을 시뮬레이션하는 조건에서 효율적인 전기 생성을 가능하게 하는 고세균(Haloferax volcanii 및 Natrialba magadii)을 생물 촉매로 사용한 미생물 연료전지(MFC)를 제시한다. 중간 매개체 없이 최대 11.87 μW cm⁻², 중성 레드를 사용할 경우 최대 50.98 μW cm⁻²의 전력 밀도를 달성하여, 고염도 또는 극한 환경에서의 확장 가능한 실용적 응용 가능성을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고염도 조건에서 고세균을 생물 촉매로 사용한 미생물 연료전지의 성능을 평가하기 위해.
• Haloferax volcanii 및 Natrialba magadii가 추가된 산화환원 매개체 없이 전기를 생성하는 능력을 평가하기 위해.
• 매체의 전도도 증가가 내부 저항과 MFC 효율성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 기존의 E. coli 기반 시스템과 비교하여 고세균 기반 MFC의 성능을 평가하기 위해.
• 고염도 환경에서의 실생활 응용을 위한 고세균 기반 MFC의 확장 가능성 탐색하기 위해.

제안 방법

• 미생물 연료전지를 위해 고염성 고세균인 Haloferax volcanii와 Natrialba magadii를 애노드 생물 촉매로 사용하였다.
• 극한의 이온 농도 조건을 시뮬레이션하기 위해 고염 농도에서 MFC를 운용하였다.
• 전기화학적 성능은 전류 및 전력 밀도 출력을 모니터링하여 측정하였다.
• 내부 저항을 감소시키고 전자 이동을 향상시키기 위해 매체의 전도도를 증가시켰다.
• 전력 출력에 미치는 영향을 평가하기 위해 산화환원 매개체인 중성 레드를 도입하였다.
• 동일한 조건에서 E. coli 기반 MFC와의 성능을 비교 기준으로 삼았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Haloferax volcanii 및 Natrialba magadii와 같은 고세균이 고염도 조건에서 미생물 연료전지의 생물 촉매로 효과적으로 작동할 수 있는가?
• RQ2 매체 전도도 증가가 고세균 기반 MFC의 내부 저항과 전력 출력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 추가된 산화환원 매개체 없이 고세균 기반 MFC가 달성할 수 있는 최대 전력 밀도는 얼마인가?
• RQ4 중성 레드를 산화환원 매개체로 도입했을 때 고세균 기반 MFC의 전력 출력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고세균 기반 MFC가 고염도 환경에서 기존의 E. coli 기반 시스템보다 얼마나 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?

주요 결과

• 중성 레드를 추가하지 않은 상태에서 고세균 기반 MFC는 Haloferax volcanii를 사용할 경우 최대 전력 밀도 11.87 μW cm⁻²를 달성하였다.
• 동일 조건에서 Natrialba magadii는 최대 전력 밀도 4.57 μW cm⁻²를 생성하였으며, H. volcanii보다 유의미하게 낮았다.
• 최대 전력에서의 전류 밀도는 H. volcanii의 경우 49.67 μA cm⁻²였으며, 강력한 전자 이동 능력을 시사하였다.
• 중성 레드를 매개체로 사용할 경우 H. volcanii의 최대 전력 밀도는 50.98 μW cm⁻²로 증가하여 성능 향상이 뚜렷하게 나타났다.
• N. magadii의 경우 중성 레드 도입으로 전력 출력이 5.39 μW cm⁻²로 증가했지만, 여전히 H. volcanii보다 낮았다.
• 매체 전도도 증가로 인해 내부 저항이 감소하였으며, 이는 모든 시험 시스템에서 MFC 성능 향상과 직접적인 관련이 있었다.