Структура бактериального сообщества электрогенной биопленки, развитой на модифицированном графитовом аноде в микробном топливном элементе

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1255 (2023) Цитировать эту статью

2169 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Формирование электрогенной микробной биопленки на электроде имеет решающее значение для сбора электроэнергии из сточных вод в микробных биотопливных элементах (МТЭ). Хотя знание структур бактериального сообщества в биопленке жизненно важно для рационального проектирования электродов MFC, углубленное исследование по этому вопросу еще предстоит. Здесь мы пытаемся решить эту проблему путем создания электрогенной биопленки на модифицированных графитовых анодах, собранных в МТЭ с воздушным катодом. Модификацию проводили с использованием восстановленного оксида графена (rGO), полианилина (PANI) и углеродных нанотрубок (CNT) отдельно. Чтобы ускорить рост биопленки, при изготовлении анодов с этими проводящими материалами смешивали соевый и картофельный композитный (растительный) порошок. МТЭ, изготовленный с анодом на основе ПАНИ, обеспечивал плотность тока 324,2 мА см-2, за ним следовали УНТ (248,75 мА см-2), rGO (193 мА см-2) и холостой (без покрытия) (151 мА см-2). 2) графитовые электроды. Аналогичным образом, анод на основе ПАНИ способствовал устойчивому росту биопленки, содержащей максимальную плотность бактериальных клеток с разнообразными формами и размерами клеток и широкой метаболической функциональностью. Альфа-разнообразие биопленки, развитой на аноде, покрытом ПАНИ, было самой высокой операционной таксономической единицей (2058 OUT) и индексом Шеннона (7,56), как было обнаружено в результате высокопроизводительного анализа последовательности 16S рРНК. Кроме того, внутри этих таксономических единиц экзоэлектрогенные типы, включающие Proteobacteria, Firmicutes и Bacteroidetes, были максимальными с соответствующим уровнем (%) 45,5, 36,2 и 9,8. Относительная численность Gammaproteobacteria, Clostridia и Bacilli на уровне класса, а Pseudomonas, Clostridium, Enterococcus и Bifidobacterium на уровне рода была сравнительно выше в аноде на основе ПАНИ.

Биологические процессы, используемые для управления сточными водами, требуют меньших эксплуатационных затрат и более простых операций, чем их химические и физические аналоги1. Прилагаются усилия по повышению эффективности и добавлению дополнительных преимуществ к процессам биологической очистки, чтобы полностью реализовать их потенциал для реальных применений2. Преобразование органических соединений в сточных водах в ценные производные с использованием биоэлектрохимических систем (БЭС) приобретает все большую привлекательность благодаря перспективам различных применений3. Микробные топливные элементы (МТЭ) являются привлекательным дополнением к этому биотехнологическому проекту, поскольку они способны расщеплять биоразлагаемые органические соединения, существующие в сточных водах, с помощью электроактивных микробов и одновременно генерировать биоэлектрическую энергию посредством стратегий биоэлектрохимической трансформации4. Центральным элементом этого процесса преобразования являются естественные микробные популяции в среде сточных вод, которые колонизируют электроды MFC в виде биопленки и инициируют процесс преобразования посредством своей биокаталитической активности5,6. Однако этот процесс биоэлектрокаталитического преобразования сложных органических веществ, присутствующих в сточных водах, через естественно возникшую бактериальную биопленку является длительным и недостаточно компетентным, чтобы справиться с динамикой накопления отходов в условиях открытой среды. Одной из критических проблем, вызывающих эту проблему, является медленное образование электрогенной биопленки на анодной поверхности. Таким образом, индукция электрофореза микробных биопленок на поверхности электродов является важным направлением исследований в области биотехнологических технологий на основе МТЭ7.

Доступно множество научных отчетов о создании электрогенной микробной биопленки на поверхности электродов для сбора энергии в MFC8,9. Электрогены — это электрохимически активные микробы, чаще всего бактерии, которые производят электрическую энергию в установке MFC путем разложения органических соединений и передачи сгенерированных электронов на электрод10,11. Образование биопленки этих электрогенов на поверхности электрода (в основном анода) является предпосылкой для сбора достаточного количества метаболических электронов в результате окисления органических соединений в сточных водах для выработки желаемой энергии в МТЭ12,13. Были исследованы различные стратегии создания бактериальной биопленки и улучшения электрической мощности в MFC, такие как скрининг электродов и материалов покрытия поверх электродов14,15, химическое соединение биопленки с базовым электродом16, нанопроизводство17 и скрининг экологических отходов для изготовления электродов18. Среди электродных материалов материалы на основе углерода становятся многообещающими электродами для улучшения электрохимических характеристик биопленки19,20.