[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究展示了一种使用古菌——嗜盐古菌Haloferax volcanii和Natrialba magadii作为生物催化剂的微生物燃料电池（MFC），可在高离子强度条件（模拟盐碱环境）下实现高效发电。该MFC在无介体条件下最大功率密度达11.87 μW cm⁻²，在添加中性红后提升至50.98 μW cm⁻²，凸显了基于古菌的MFC在盐碱或极端环境中的可扩展性与实际应用潜力。

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.

研究动机与目标

• 评估古菌在高离子强度条件下作为微生物燃料电池中生物催化剂的性能。
• 评估Haloferax volcanii和Natrialba magadii在不添加氧化还原介体情况下的发电性能。
• 研究介质电导率提升对内阻及MFC效率的影响。
• 将基于古菌的MFC性能与传统的E. coli基系统进行比较。
• 探索基于古菌的MFC在真实盐碱环境中实现规模化应用的潜力。

提出的方法

• 使用两种嗜盐古菌Haloferax volcanii和Natrialba magadii作为微生物燃料电池中的阳极生物催化剂。
• 在高盐浓度下运行MFC以模拟极端离子环境。
• 通过监测电流和功率密度输出来测量电化学性能。
• 提高介质电导率以降低内阻并增强电子转移。
• 引入氧化还原介体中性红，评估其对功率输出的影响。
• 在相同条件下，将性能与基于E. coli的MFC进行基准对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 Haloferax volcanii和Natrialba magadii等古菌是否能在高离子强度条件下有效作为微生物燃料电池中的生物催化剂？
• RQ2 提高介质电导率如何影响基于古菌的MFC的内阻和功率输出？
• RQ3 基于古菌的MFC在不添加氧化还原介体时可实现的最大功率密度是多少？
• RQ4 添加中性红作为氧化还原介体会如何影响基于古菌的MFC的功率输出？
• RQ5 基于古菌的MFC在高盐度环境中在多大程度上可优于传统的E. coli基系统？

主要发现

• 在未添加氧化还原介体的情况下，基于Haloferax volcanii的古菌MFC实现了11.87 μW cm⁻²的最大功率密度。
• 在相同条件下，Natrialba magadii产生的最大功率密度为4.57 μW cm⁻²，显著低于H. volcanii。
• H. volcanii在最大功率下的电流密度为49.67 μA cm⁻²，表明其具备强大的电子转移能力。
• 当添加中性红作为介体后，H. volcanii的最高功率密度提升至50.98 μW cm⁻²，显示出显著的性能提升。
• 中性红的添加使N. magadii的功率输出提升至5.39 μW cm⁻²，尽管仍低于H. volcanii。
• 提高介质电导率可降低内阻，从而直接提升所有测试系统的MFC性能。