Struttura della comunità batterica del biofilm elettrogenico sviluppato sull'anodo di grafite modificato nella cella a combustibile microbica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1255 (2023) Citare questo articolo

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La formazione di biofilm microbico elettrogenico sull'elettrodo è fondamentale per la raccolta di energia elettrica dalle acque reflue nelle celle a biocarburante microbico (MFC). Sebbene la conoscenza delle strutture della comunità batterica nel biofilm sia vitale per la progettazione razionale degli elettrodi MFC, si attende ancora uno studio approfondito sull'argomento. Qui, tentiamo di affrontare questo problema creando biofilm elettrogenico su anodi di grafite modificata assemblati in un MFC con catodo ad aria. La modifica è stata eseguita separatamente con ossido di grafene ridotto (rGO), polianilina (PANI) e nanotubi di carbonio (CNT). Per accelerare la crescita del biofilm, la polvere del composito (pianta) di soia e patata è stata miscelata con questi materiali conduttivi durante la fabbricazione degli anodi. L'MFC fabbricato con anodo basato su PANI ha erogato la densità di corrente di 324,2 mA cm−2, seguito da CNT (248,75 mA cm−2), rGO (193 mA cm−2) e bianco (senza rivestimento) (151 mA cm−2). 2) elettrodi di grafite. Allo stesso modo, l’anodo basato su PANI ha supportato una robusta crescita di biofilm contenente la massima densità di cellule batteriche con diverse forme e dimensioni delle cellule e un’ampia funzionalità metabolica. La diversità alfa del biofilm sviluppato sull'anodo rivestito con PANI era l'unità tassonomica operativa più elevata (2058 OUT) e l'indice di Shannon (7,56), come rivelato dall'analisi della sequenza di rRNA 16S ad alto rendimento. Inoltre, all’interno di queste unità tassonomiche, i phyla esoelettrogenici comprendenti Proteobacteria, Firmicutes e Bacteroidetes erano massimi con il loro livello corrispondente (%) 45,5, 36,2 e 9,8. L'abbondanza relativa di Gammaproteobacteria, Clostridia e Bacilli a livello di classe, mentre Pseudomonas, Clostridium, Enterococcus e Bifidobacterium a livello di genere erano comparativamente più alte nell'anodo basato su PANI.

I processi a base biologica utilizzati per la gestione delle acque reflue comportano costi operativi inferiori e operazioni più semplici rispetto alle loro controparti chimiche e fisiche1. Sono in corso sforzi per migliorare l’efficienza e associare vantaggi a valore aggiunto ai processi di trattamento a base biologica per realizzare il loro pieno potenziale per le applicazioni nel mondo reale2. La trasformazione dei composti organici presenti nelle acque reflue in derivati ​​preziosi utilizzando sistemi bioelettrochimici (BES) ha suscitato crescente interesse grazie alla sua prospettiva in varie implementazioni3. Le celle a combustibile microbiche (MFC) rappresentano un'aggiunta interessante a questa impresa biotecnologica per il loro potenziale di scomporre i composti organici biodegradabili presenti nei corpi delle acque reflue utilizzando microbi elettroattivi e contemporaneamente generare energia bioelettrica attraverso strategie di trasformazione bioelettrochimica4. Il fulcro di questo processo di conversione sono le popolazioni microbiche naturali nell'ambiente delle acque reflue che colonizzano gli elettrodi MFC come biofilm e avviano il processo di conversione attraverso le loro attività biocatalitiche5,6. Tuttavia, questo processo di conversione bioelettrocatalitica delle sostanze organiche complesse presenti nelle acque reflue attraverso il biofilm batterico naturalmente evoluto è prolungato e non sufficientemente competente per far fronte alle dinamiche di accumulo dei rifiuti in condizioni di ambiente aperto. Una questione critica che evoca questa sfida è la lenta formazione del biofilm elettrogenico sulla superficie anodica. Pertanto, l'induzione dell'elettroforesi del biofilm microbico sulla superficie dell'elettrodo è un'importante area di ricerca nella tecnologia dei bioprocessi basata su MFC7.

Sono disponibili numerosi rapporti scientifici sullo sviluppo di biofilm microbico elettrogenico sulle superfici degli elettrodi per la raccolta di energia in MFC8,9. Gli elettrogeni sono microbi elettrochimicamente attivi, più comunemente batteri, che producono energia elettrica in una configurazione MFC degradando i composti organici e trasferendo gli elettroni generati a un elettrodo10,11. La formazione di biofilm di questi elettrogeni sulla superficie dell'elettrodo (principalmente dell'anodo) è un prerequisito per raccogliere elettroni metabolici sufficienti dall'ossidazione dei composti organici nelle acque reflue per generare la potenza desiderata negli MFC12,13. Sono state studiate diverse strategie per creare biofilm batterico e migliorare l'energia elettrica nelle MFC, come lo screening di elettrodi e materiali di rivestimento sugli elettrodi14,15, l'accoppiamento chimico del biofilm con l'elettrodo di base16, le nanofabbricazioni17 e lo screening dei rifiuti ambientali per fabbricare elettrodi18. Tra i materiali per elettrodi, i materiali a base di carbonio stanno emergendo come elettrodi promettenti per migliorare le prestazioni elettrochimiche del biofilm19,20.